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Gruppe-III-Nitrid Halbleiterbauelemente haben im Bereich der Optoelektronik eine große Bedeutung für Leuchtdioden erlangt und inzwischen auch für Laser im UV/blauen Bereich. Im Bereich der Elektronik ist dieses Material vor allen Dingen für Transistoren als auch andere Bauelemente wie Hochspannungsbauelemente interessant.
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Aus B. Beaumont et al., ”Mg-enhanced lateral overgrowth of GaN on patterned GaN/sapphire substrate by selective Metal Organic Vapor Epitaxy”; MRS Internet J. Nitride Semicond. Res. 3, 20; 1998, p. 1–12, ist ein selektives und laterales Aufwachsen einer GaN-Schicht mittels MOVPE bekannt.
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Gruppe-III-Nitride wachsen dabei bevorzugt in der sogenannten c-Achsenorientierung meist mit einem Kationenabschluss auf. Andere Wachstumsrichtungen sind von den meisten Wachstumsverfahren weniger bevorzugt oder führen zu qualitativ weniger hochwertigen Schichten. Hohe Dotierstoffkonzentrationen des für die p-Typ Dotierung üblichen Magnesiums führen ab einer chemischen Konzentration um 5 × 1019 cm–3 zur Bildung von Ausscheidungen in Form von Mg-reichen Clustern, die zu lokalen Polaritätswechseln und einer Kompensation der p-Typ Leitung füren. Solche Ausscheidungen wirken als störende tiefe Zentren und reduzieren die Löcherkonzentration.
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Begrenzt sind viele Bauelemente, die eine p-Typ leitende Schicht enthalten, derzeit durch die hohe Akzeptorbindungsenergie und die beschriebene limitierte Löslichkeit des p-Dotanden, was in der Regel zu einer maximalen Ladungsträgerkonzentration unterhalb von 5 × 1017 cm–3 führt. Damit verbunden sind eine niedrige Leitfähigkeit und eine schlechte Stromaufweitung, was wiederum zu hohen Ohm'schen Verlusten und geringer Bauelementleistung führen kann.
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Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es, eine im Vergleich mit bekannten Halbleiterbauelementen höhere p-Typ-Leitfähigkeit auf c-planaren Gruppe-III-Nitrid Schichten zu realisieren.
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Die Erfindung wird nachfolgend zunächst im Hinblick auf ihren Verfahrensaspekt beschrieben, der ein leichteres Verständnis des anschließend beschriebenen Vorrichtungsaspektes der Erfindung ermöglichen soll.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Gruppe-III-Nitrid-Halbleiterbauelements angegeben. Das Verfahren hat die Schritte:
- – Herstellen einer Vielzahl erster c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitts auf einer Substratschicht, die eine kleinere Lateralausdehnung als die Substratschicht haben und die eine Grenzfläche der Indizierung {h, k, –(h + k), l} haben, wobei h, k, und l ganze Zahlen sind und mindestens einer der Indizes h und k eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist; und
- – Abscheiden einer Vielzahl zweiter c-achsen-orientierter und p-leitender Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte mit einer Löcherkonzentration oberhalb von 5 × 1017 cm–3 auf der Grenzfläche der Indizierung {h, k, –(h + k), l} des ersten c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitts in einer zur Grenzfläche senkrechten Wachstumsrichtung Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Herstellen der ersten c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Abschnitte erzielt durch:
– Bereitstellen eines Substrats mit einer c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht;
– Ätzen erster Gräben in der Gruppe-III-Nitrid-Schicht, die Seitenwände der Indizierung {h, k, –(h + k), l} aufweisen, und anschließendes Füllen der ersten Gräben durch Abscheiden der ersten Gruppe-III_Nitrid-Schichtabschnitte mit einer Wachstumsrichtung senkrecht zu den Seitenwänden;
und dass das Abscheiden der zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte umfasst:
- – Ätzen von zu den ersten Gräben komplementär versetzten zweiten Gräben in der Gruppe-III-Nitrid-Schicht, die als Seitenwände Grenzflächen der Indizierung {h, k, –(h + k), l} jeweiliger erster Schichtabschnitte aufweisen, und Füllen der komplementär versetzten zweiten Gräben durch Abscheiden der zweiten Schichtabschnitte mit einer Wachstumsrichtung senkrecht zu den Seitenwänden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem zweiten Schritt ein Substrat mit mindestens einem ersten c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt hergestellt. Dieser Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt hat eine Grenzfläche der Indizierung {h, k, –(h + k), l}. Die Indizes h, k und l sind ganze Zahlen, wobei mindestens eine der Indizes h und k eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist. Eine Fläche oder Gruppe von Flächen, die diese Bedingung erfüllt, wird im Rahmen dieser Anmeldung auch als „höher indiziert” bezeichnet.
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Unter einem c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt oder einer c-Achsen-orientierten Schicht ist ein Schichtabschnitt bzw. eine Schicht zu verstehen, der bzw. die eine {0001}-Oberfläche aufweist, die senkrecht zu einer Tiefenrichtung des Substrats steht. Die Tiefenrichtung weist bei einem scheiben- oder plattenförmigen Substrat von der Substratoberseite zur Substratunterseite. Solche Schichten werden auch als c-planar bezeichnet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Herstellen des mindestens einen ersten c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitts auf einer Substratschicht also zum einen ein c-Achsen-orientierter Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt geschaffen, der zum anderen aber eine höher indizierte Grenzfläche, hier im Sinne einer temporären Außenfläche, also einer Grenzfläche mit der Luft zu verstehen (engl. face), aufweist. Diese ist in der weiteren Verfahrensführung für das Abscheiden mindestens eines zweiten c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnittes vorgesehen.
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Es zeigt sich, dass der Einbau von p-Dotanden, beispielsweise der Magnesiumeinbau, in Gruppe-III-Nitride auf Facetten geringerer Polarität eine höhere Löcherkonzentration ermöglicht bzw. auch in einer höheren chemischen Konzentration möglich ist, bevor es zu Ausscheidungen kommt. Dies gelingt besonders gut auf den a- und m-Flächen, aber auch, wenn auch nicht ganz so effizient, auf Flächen wie den {1012} oder {1122} Flächen. Allgemein wird ein höherer Magnesiumeinbau auf Flächen geringerer Polarität als der Ga- oder N-terminierten c-planaren (0001) bzw. (0001) Fläche beobachtet. Dies liegt vermutlich an der starken Tendenz des Magnesiums zum Aufschwimmen auf der Oberfläche während des Schichtwachstums auf diesen Flächen und des dann bei ausreichender Mg-Akkumulation auftretenden Einbaus von kompensierenden Mg-Clustern. Oberflächen geringerer Polarität bieten durch die anderen Bindungsverhältnisse, bzw. den meist gleichzeitig auftretenden Oberflächenatomen von Ga und N stabilere Einbaubedingungen für den Dotanden, die diese Akkumulation verringern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt diese Effekte zur Herstellung einer hochdotiert p-leitenden und zugleich c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht. Dies ermöglicht also zum einen die vorteilhafte Nutzung der c-Ebene für die weitere Schichtabscheidung auf der Gruppe-III-Nitrid-Schicht bei der Herstellung eines Bauelements und zum anderen eine für eine funktionelle Gruppe-III-Nitrid Schicht dieser Orientierung bisher nicht erreichte hohe Löcherkonzentration.
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Eine Löcherkonzentration oberhalb von 5 × 1017 cm–3 bei Raumtemperatur wird durch den Einbau eines Dotierstoffs, beispielsweise Magnesium, in einer entsprechend hohen Konzentration erzielt. Der angegebene Schwellwert der Löcherkonzentration bezieht sich auf Werte, die mittels bekannter Messtechniken wie Hall-Effekt-Messungen und C-V Messungen bei Raumtemperatur feststellbar sind. Die Dotierstoffkonzentration des p-Typ-Dotanden ist wegen Kompensationseffekten in der Regel höher ist als die erzielte Löcherkonzentration. Unter Raumtemperatur sind 20 Grad Celsius zu verstehen.
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In der vorliegenden Beschreibung werden runde Klammern () zur Kennzeichnung einer Kristallfläche verwendet, also beispielsweise (0001) oder (0001) etc. Daneben werden auch die geläufigen Buchstabenkürzel, also beispielweise c-Ebene, m-Ebene, etc. verwendet. Geschweifte Klammern {} bzw. {} kennzeichnen eine Gruppe äquivalenter Flächen, zum Beispiel {0001) für die Gruppe der beiden Ebenen (0001) und (0001), oder {1120} für die Gruppe der Ebenen (1120), (1120), (2110), (2110), (1210) und (1210).
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Die Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden.
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Bei einem ersten Ausführungsbeispiel umfasst das Herstellen des Substrats einen Schritt des Abscheiden einer c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht und einen Schritt des Herstellen von Gräben in der c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht mit Hilfe eines lithographischen Verfahrens. Die Gräben können parallel zueinander angeordnet sein. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kreuzen sich die Gräben. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn sich die Gräben unter einem Winkel von 120° kreuzen. Auf diese Weise entstehen säulenförmige Strukturen zwischen den Gräben.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Herstellen des Substrats einen Schritt des Herstellens von Stegen mit Hilfe eines lithographischen Verfahren, wobei die Stege Seitenwände der Indizierung {h, k, –(h + k), l} aufweisen. Die Stege haben Seitenwände der Indizierung {h, k, –(h + k), l}. Das Abscheiden des zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitts umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine selektive epitaktische Abscheidung des p-leitenden Bereiches zwischen den Stegstrukturen, und nicht auf einer c-Fläche der Stegstrukturen. Eine selektive epitaktische Abscheidung kann in an sich bekannter Weise durch Herstellung geeigneter Wachstumsbedingungen erreicht werden. Eine alternative Möglichkeit zur selektiven epitaktischen Abscheidung des p-leitenden Bereiches zwischen den Stegstrukturen ist es die c-Fläche der Stegstrukturen zu maskieren. Geeignete Materialien zum Abdecken der c-Fläche sind beispielsweise SiO2, SiN, oder andere an sich bekannte Maskenmaterialien.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Herstellen des Substrats einen Schritt des Aufrauen einer Substratoberflächenschicht durch nass- oder trockenchemisches Ätzen. Bei dieser Ausführungsform entstehen auf mikroskopischer Skala Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte auf c-Achsen-orientierter Gruppe-III-Nitrid-Substratschicht, die eine höher indizierte Grenzfläche haben. Der Begriff Grenzfläche ist hier wiederum in Sinne einer temporären Außenfläche, also einer Grenzfläche z. B. mit der Luft zu verstehen (engt. face). Nach einer Abscheidung bildet diese Außenfläche eine Grenzfläche zu dem darauf abgeschiedenen zweiten Gruppe-III-Nitridabschnitt (engl. interface).
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiels umfasst das Herstellen des Substrats einen Schritt des Abscheiden einer c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht und eine Schaffung von Grenzflächen der Indizierung {h, k, –(h + k), l} auf der c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht während ihres Wachstums, wobei h, k, und l ganze Zahlen sind und mindestens einer der Indizes h und k eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist; und bei dem das Abscheiden der zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte mit Hilfe eines epitaktisches Überwachsens der geschaffenen Grenzflächen erfolgt.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden Grenzflächen der Indizierung {h, k, –(h + k), l}, wobei h, k, und l ganze Zahlen sind und mindestens einer der Indizes h und k eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, durch Abscheiden von als Antisurfactand wirkenden Schichten hergestellt.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel werden Grenzflächen der Indizierung {h, k, –(h + k), l}, wobei h, k, und l ganze Zahlen sind und mindestens einer der Indizes h und k eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, mittels Herstellung stark verspannter Schichten mit einer Gitterfehlanpassung > 1% hergestellt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden Grenzflächen der Indizierung {h, k, –(h + k), l}, wobei h, k, und l ganze Zahlen sind und mindestens einer der Indizes h und k eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist, mittels eines V-III-Precursor-Verhältnisses von kleiner als 1000 bei der Schichtabscheidung einer Ga-reichen Gruppe-III-Nitrid Schicht und/oder Wachstumsraten oberhalb von 5 μm/h hergestellt.
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In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Herstellen des Substrats einen Schritt des Bereitstellens eines Substrats mit einer c-Achsen orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht und einen Schritt des Strukturierens einer c-Fläche des Substrats zur Freilegung einer m-Fläche. Weiterhin enthält der Schritt des Abscheidens der zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnittes einen Schritt des präferentiell lateralen Wachstums des zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnittes auf der m-Fläche.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel beinhaltet das Herstellen des Substrats einen Schritt des Ätzens von Gräben und einen anschließenden Schritt des Füllens der Gräben mit dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt, wobei einem oberen Grabenrand nahe liegende Bereiche der Gräben mit einer wachstumshemmenden Maske versehen sind.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann in einer Variante vorgesehen werden, die Gräben in sich kreuzender Anordnung herzustellen, wobei wiederum ein Winkel von 120° bevorzugt ist.
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Die vorgenannten Methoden, die auch in Kombination angewendet werden können, dienen dazu, hohe Löcherkonzentrationen in einer c-Achsen orientieren Gruppe-III-Nitrid-Schicht zu erzielen. Es versteht sich, dass die genannten Verfahren auch auf unterschiedliche Gruppe-III-Nitridschichten einer komplexen Schichtstruktur angewendet werden können, wie sie beispielsweise bei einem Halbleiterlaser oder einem Heterobipolartransistor vorliegt.
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Für Laserstrukturen und im besonderen p-leitende HBT-Basisschichten werden auch dünne hoch p-leitfähige Schichten benötigt. Eine solche dünne hoch p-leitfähige Schicht lässt sich beispielsweise herstellen, indem zunächst eine dicke Schicht hergestellt wird und diese anschließend zurückgeätzt wird.
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Die Gruppe-III-Nitride werden durch eines oder mehrere Elemente der Gruppe III des Periodensystems, insbesondere Al, Ga, In, und durch Stickstoff gebildet. Beispiele sind die binären Verbindungen GaN, AlN, InN, die ternären Verbindungen des Typs AlGaN, InGaN, oder AlInN und die quaternären Verbindungen des Typs AlGaInN. Bei den ternären und quaternären Verbindungen sind mit Blick auf die relativen Anteile der Gruppe-III-Metalle unterschiedliche Stöchiometrien bekannt.
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Einen zweiten Aspekt der Erfindung bildet ein Halbleiterbauelement mit einer c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht, die aus einer Vielzahl c-Achsen-orientierter, p-leitender Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte zusammengesetzt ist. Diese Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte grenzen aneinander und bilden also auf diese Weise zusammengenommen die Gruppe-III-Nitrid-Schicht. Davon teil eine Vielzahl erster Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte eine Grenzfläche der Indizierung {h, k, –(h + k), l} mit jeweils mindestens einem zweiten, zeitlich getrennt vom ersten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt hergestellten, Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt der Gruppe-III-Nitrid-Schicht. Hierbei sind h, k und l ganze Zahlen, und ist mindestens einer der beiden Indizes h und k eine ganze Zahl größer oder gleich 1. Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement weisen die ersten und der jeweils mindestens eine zweite Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte bei Raumtemperatur eine Löcherkonzentration oberhalb von 5 × 1017 cm–3 auf.
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Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement hat also in den Gruppe-III-Nitrid-Schichten eine hohe p-Typ-Leitfähigkeit mit einer Löcherkonzentration oberhalb von 5 × 1017cm–3, obwohl die Gruppe-III-Nitrid-Schichten c-Achsen-orientiert sind. Eine derart hohe p-Typ-Leitfähigkeit kann bei bereits bekannten Bauelementen nur in einer a- oder m-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht erzielt werden, nicht jedoch in einer c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht.
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Bei dem Halbleiterbauelement des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist die p-Dotierung der Gruppe-III-Nitrid-Schicht nicht, bzw. nur zu einem geringen Teil über den Einbau in der c-Ebene erfolgt, sondern vor allen Dingen über den Einbau in höher indizierten Kristallfacetten. Damit können sehr hohe Löcherkonzentrationen oberhalb von 5 × 1017 cm–3 erzielt werden, wie sie z. B. in Injektionslasern, aber auch in LEDs sehr nützlich sind. Darüber hinaus kennen so hohe Löcherkonzentrationen erzielt werden, wie sie für Heterobipolartransistoren (HBTs) unabdingbar sind, aber auch in Hochspannungsbauelementen Anwendung finden.
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Die Struktur des Halbleiterbauelements des zweiten Aspekts der Erfindung hängt mit der Verfahrensführung nach dem ersten Aspekt der Erfindung zusammen. Die Gruppe-III-Nitrid Schicht des erfindungemäßen Halbleiterbauelements weist eine mikroskopisch nachweisbare Strukturierung in Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte auf, die in einigen Ausführungsbeispielen insbesondere eine laterale Strukturierung der Gruppe-III-Nitrid-Schicht bilden. Typischerweise haben diese Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte eine Ausdehnung im Bereich von wenigen Nanometer, typischerweise 100 nm bis in den Mikrometerbereich zwischen zwei Grenzflächen gleicher Indizes. Diese Strukturierung spiegelt die erfindungsgemäße Verfahrensführung wieder.
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Die Gruppe-III-Nitridschicht ist also aus Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitten zusammengesetzt, von denen sich erste und zweite Schichtabschnitte darin unterscheiden, dass sie zeitlich getrennt hergestellt wurden. Das bedeutet, dass einer dieser beiden Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte zeitlich vor dem anderen hergestellt wurde. Natürlich kann die Gruppe-III-Nitrid-Schicht viele Paare von aneinandergrenzenden ersten und zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitten enthalten, insbesondere kann sie vollständig aus ersten und zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitten zusammengesetzt sein.
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Dieses Merkmal zeitlich getrennter Herstellung der ersten und zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte, das an sich eine Verfahrensführung und insbesondere die erfindungsgemäße Verfahrensführung betrifft, spiegelt sich nachweisbar in der Struktur des Halbleiterbauelements wieder. Denn ein erster und ein zweiter Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt teilen sich jeweils eine Grenzfläche mit der Indizierung {h, k, –(h + k), l}, wobei h, k und l ganze Zahlen sind und mindestens einer der Indizes h und k eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist. Grenzflächen mit diesem Merkmal werden hier auch als höher indizierte Grenzflächen bezeichnet. Diese Grenzfläche befindet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt.
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Eine solche Grenzfläche, die eindeutig auf eine zeitlich getrennte Herstellung der aneinandergrenzenden ersten und zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte hinweist, lässt sich in einer transmissionselektronenmikroskopischen Querschnittsaufnahme nachweisen. Alternativ oder ergänzend kann eine solche Grenzfläche mit einem Rasterelektronenmikroskop, vorzugsweise einem hochauflösenden Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FE-REM), nachgewiesen werden. Ein FE-REM ist in der Lage, geringfügige Wachstumsdefekte an der Grenzfläche, die für das zeitlich getrennt erfolgte Abscheiden der ersten und zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte indiziell sind, nachzuweisen.
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An der Grenzfläche zwischen den beiden Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitten entstehen unvermeidlich kleine Defekte, die typischerweise eine Regelmäßigkeit aufweisen. Zum Nachweis der erfindungsgemäßen Struktur können je nach Strukturgröße auch Mikrophotolumineszenz oder Kathodolumineszenz, in Aufsicht oder im Querschnitt eingesetzt werden.
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In Ausführungsbeispielen, bei denen zwischen den ersten und zweiten Gruppe-III-Nitridschichten ein hoher Konzentrationsunterschied an Löchern herrscht, kann dieser hohe Kontrast zwischen dem ersten und zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt ebenfalls mit Hilfe eines FE-REM nachgewiesen werden. Die ersten und zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte weisen aufgrund ihrer ggf. unterschiedlichen Löcherkonzentration und je nach Wachstumsentwicklung auch charakteristische Merkmale ihrer Lichtemission unter entsprechender Anregung durch geeignetes Licht oder durch Elektronen auf.
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Wie aus der vorherigen Beschreibung hervorgeht, weist beim erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement die Gruppe-III-Nitrid-Schicht sowohl im ersten als auch im zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt eine Löcherkonzentration oberhalb von 5 × 1017 cm–3 auf. Dies gelingt wie oben beschrieben beispielsweise durch Herstellung der Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte in unterschiedlichen Maskenschritten, wobei die Masken der unterschiedlichen Maskenschritte versetzt angeordnet sind, so dass im Ergebnis eine durchgängige, hoch p-leitfähige und c-Achsen-orientierte Gruppe-III-Nitrid-Schicht entsteht.
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Die Löcherkonzentration im zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt kann mit Hilfe lokaler Messmethoden wie der Rasterkapazitätsmikroskopie (scanning capacitance microscopy, SCM) nachgewiesen werden. Bei dieser Messmethode wird mit einer leitfähigen Spitze eines Atomkraft-Mikroskops (atomic force microscope, AFM) eine Kapazitäts-Spannungsmessung (CV-Messung) durchgeführt. Mit diesem Verfahren können bei der Gruppe-III-Nitridschicht in ihrer p-Leitfähigkeit räumliche Strukturen aufgelöst werden, die Ausmaße unterhalb 1 μm aufweisen.
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In Ausführungsbeispielen, bei denen in den ersten und zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitten im Ergebnis eine in lateraler Richtung gleichbleibend höhe p-leitfähige Gruppe-III-Nitrid-Schicht vorliegt, kann die Löcherkonzentration auch mit Hilfe des Hall-Effektes bestimmt werden, wenn unterhalb der Gruppe-III-Nitrid-Schicht keine weitere gut leitfähige Schicht angeordnet ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements beschrieben.
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In einem Ausführungsbeispiel haben der erste und der zweite Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitt einen Kationenabschluss.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel bilden die ersten und zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte eine Struktur von Stegen und zwischen den Stegen lateral gewachsenen Grabenfüllungen, wobei die Grabenfüllungen und Stege aneinander grenzende Seitenwände aufweisen, die jeweils die Grenzfläche der Indizierung {h, k, –(h + k), l}, also die höher indizierte Grenzfläche bilden.
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Erfindungsgemäß weisen die ersten und zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte eine Löcherkonzentration oberhalb von 5 × 1017 cm–3 auf. Es gelingt also die Herstellung einer durchgängig hoch p-leitfähigen c-Achsen-orientierten Gruppe-III-Nitrid-Schicht, die sich aus den ersten und zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitten zusammensetzt, die in lateraler Richtung alternierend angeordnet sind.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel ist die höher indizierte Grenzfläche eine a-Fläche oder eine m-Fläche des ersten bzw. zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitts. Hier ist die Gruppe-III-Nitrid-Schicht in laterale Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte strukturiert, die eine senkrecht zur c-Ebene orientierte Grenzfläche teilen. Die a- bzw m-Ebenen mit der Indizierung {1120} für die a-Ebenen und {1010} für die m-Ebenen stehen also senkrecht zur c-Ebene, die die ansonsten übliche Wachstumsoberfläche von Gruppe-III-Nitriden darstellt.
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Dies kann nicht in einem normalen Wachstumsmodus in der Standardepitaxie für Gruppe-III-Nitrid erfolgen. Es eignen sich hierfür beispielsweise die oben schon näher beschriebenen Methoden
- – Aufrauen der Oberfläche mittels in- oder ex-situ Maskierung
- – Ätzen von Strukturen, die hauptsächlich lateral überwachsen werden
- – Schaffung von dreidimensionalen Strukturen durch selektive Epitaxie und laterales Überwachsen der Strukturen mit einer magnesiumdotierten Gruppe-III-Nitrid Schicht.
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So kann eine lokale p-Typ Dotierung nach einem einmaligen Ätzschritt, gefolgt vom bevorzugt lateralen Überwachsen erfolgen, aber auch durchgehende Schichten durch wiederholtes Ätzen nach dem ersten Überwachsen und darauf folgendem nochmaligem Überwachsen, so dass durch das versetzte Ätzen eine durchgehend gleitende Schicht erzielt wird.
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Alternativ können Oberflächen geringerer Polarität geschaffen werden, indem die Wachstumsbedingungen dahingehend geändert werden, dass die Oberfläche aufraut. Dies wird erzielt über sehr hohe Si-Konzentrationen, was nur in Zusammenhang mit einem abruptem p/n Übergang Sinn macht, in-situ oder ex-situ Nanomasken aus einem Antisurfactand wie Siliziumnitrid oder Siliziumoxid und anschließendem dreidimensionalen Wachstum oder das Wachstum bei geringen Temperaturen, V/III Verhältnissen oder extrem hohe Wachstumsraten, was ebenfalls zu einem dreidimensionalem Wachstum führt. Zusätzlich können stark verspannte Schichten solch ein dreidimensionales Wachstum verursachen, der mögliche Einsatz solcher Schichten ist jedoch vom Bauelementtyp abhängig.
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Unter Bezug auf die Figur werden nachfolgend weitere Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Die Figur ist von links nach rechts in drei Abschnitte A, B und C gegliedert, die unterschiedliche Varianten der erfindungsgemäßen Verfahrensführung darstellen. Gemeinsam ist allen drei Verfahrensführungen A, B und C die verwendete Ausgangsstruktur, ein c-Achsen-orientiertes Substrat 100 mit einer (0001)-Substratoberfläche und z. B. einer (1010)- sowie einer (1010)-Seitenfläche, welches zu Beginn des Verfahrens bereitgestellt wird. Dieses ist der Einfachheit der graphischen Darstellung halber nur im Abschnitt C der Figur dargestellt. Pfeile zeigen den Weg der von dort aus verzweigenden weiteren Verfahrensführungen A, B und C an.
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Die Erzeugung von lokalen hoch p-Typ Dotierten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitten, wie sie zum Beispiel in Bauelementen notwendig sind, wie sie in der
US 2004/0 173 801 A1 und
DE 102 59 373 A1 gezeigt sind, kann ausgehend vom Substrat
100 in unterschiedlichen Verfahrensvarianten erreicht werden. Die hier dargestellten Verfahrensvarianten A, B und C enthalten ein Strukturieren der (0001)-Oberfläche mit Gräben oder Löchern
101 und ein anschließendes laterales Überwachsen dieser Gräben oder Löcher.
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In allen Varianten wird das Substrat 100 mittels Ätzen von Graben oder Löchern 101 strukturiert Vorzuziehen ist beim Ätzen der Strukturen die Schaffung von seitlichen m-Ebenen-Oberflächen, d. h. beim Ätzen von Löchern sind sechseckige Geometrien mit m-Ebenen Facetten vorzuziehen. Es können jedoch auch a-Ebenen-Seitenflächen mit der Indizierung {1010}- und {1010}-Seitenflächen oder andere höher indizierte Facetten hergestellt werden.
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Die verbleibenden, nicht entfernten Steg-Strukturen bilden erste Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte mit einer (0001)-Oberfläche und m-Ebenen Seitenflächen. Anschließend wird in den Gräben oder Löchern 101 entweder selektiv unter Verwendung einer Maske 102 auf den nicht geätzten Bereichen (Varianten A und B) oder ohne Verwendung einer Maske nicht-selektiv überwachsen (Variante C). Die Abscheidung dieser zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte 103 erfolgt auf den m-Ebenen {1010}- und {1010}-Seitenflächen der Stegstrukturen zwischen den Gräben bzw. Löchern 101. Es wird eine Mg-Dotierung während des Wachstums der zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte vorgenommen. Die Dotierung während des Wachstums der zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte 103 ist dem Implantieren vorzuziehen, da nach Implantation immer nicht ausheilbare kompensierende Schäden zurückbleiben, die die Dotierung teilweise kompensieren, für die Zwecke der vorliegenden Erfindung jedoch eine hohe p-Typ Leitfähigkeit erzielt werden soll.
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Die Abscheidung der zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte 103 wird vorgenommen, bis die Gräben 101 vorzugsweise vollständig gefüllt sind, wodurch eine Gruppe-III-Nitrid-Schicht 104 entsteht. In Variante A erfolgt das Wachstum bis zur Oberkante der Stege. In Variante B erfolgt das Wachstum der Schicht 104 bis zur Oberkante der Maske 102, und in Variante C erfolgt das Wachstum der Schicht 104 bis zum Planarisieren. Mit Blick auf Variante C ist zu beachten, dass ein Wachstum auf der c-Fläche zu einer niedrigeren Löcherkonzentration führt und daher vermieden werden sollte, indem das Wachstum z. B. vor einem signifikanten vertikalen Wachstumsanteil gestoppt wird.
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Die so entstandene Gruppe-III-Nitrid-Schicht enthält also erste Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte, die Teil des ursprünglich bereitgestellten Substrats 100 sind, und zweite Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte 104, die nach Strukturierung des Substrats abgeschieden wurden. Die ersten und zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte sind beide c-Achsen-orientiert und teilen sich jeweils eine m-Ebenen-Grenzfläche, bzw. in anderen Ausführungsbeispielen eine a-Ebenen-Grenzfläche der Indizierung {1010}- bzw. {1010}. In diesem Verfahrensstadium sind nur die zweiten Schichtabschnitte 104 hoch p-leitfähig, mit einer Löcherkonzentration oberhalb von 5 × 1017 cm–3.
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Durch ein nochmaliges Ätzen von Gräben 105, vorzugsweise in lateraler Richtung leicht in die gerade gewachsenen zweiten Gruppe-III-Nitrid-Schichtabschnitte hinein, um einen restlichen n-Typ Bereich zu vermeiden, und durch wiederholtes laterales Überwachsen – unter Umständen mit erneuter Maskierung 106 wie in Beispiel A gezeigt – können hochleitfähige p-Typ Bereiche 108 auch ohne jeglichen vertikal gewachsenen Anteil 107 und damit mit durchgehend hoher Leitfähigkeit erzielt werden.
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Ein laterales Wachstum erfolgt in einem Ausführungsbeispiel vorzugsweise auf der m-Fläche und z. B. in der metallorganischen Gasphasenepitaxie (metal organic vapor Phase epitaxy, MOVPE) dadurch, dass das V-III Verhältnis, die Temperatur und/oder der Reaktordruck relativ hoch gehalten werden, was außer im Fall der Temperatur auch dem Einbau von Mg förderlich ist.
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Die zu überwachsenden Strukturen sind für die oben genanten Bauelemente auf der oberen Planaren c-Fläche des GaN idealerweise maskiert. Hier ist von den gebräuchlichen Maskenmaterialien das Maskenmaterial SiN dem SiO2 vorzuziehen, da es während des Wachstums deutlich stabiler ist und durch den vorhandenen Stickstoffprecursordruck stabilisiert wird.
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Zu vermeiden ist ein Einbau von Si oder Sauerstoff, der die Wirkung der p-Typ Dotierung durch Einbau von n-Typ-Dotanden kompensieren würde. Dies ist an sich bekannt.
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Eine vollständige Planarisierung der Oberfläche ist durch geeignete Wahl der Stickstoffpartialdrücke möglich, so dass keine oder nur eine minimale Wachstumsüberhöhung am Maskenrand entsteht. Entsteht eine solche und ist sie unerwünscht, kann sie z. B. durch Sputtern von der Seite entfernt werden. Ohne Maske ist für obengenannte Bauelementstrukturen ist in der Regel ein Entfernen der oberen, weniger leitfähigen p-Typ Schicht, z. B. durch Trockenätzen notwendig.
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Werden Schottkykontakte aufgebracht, so ist meist ein Ausheilen der Ätzschäden bei hohen Temperaturen zwischen 700–1200°C möglichst unter Ammoniakfluss angezeigt.
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Alternativ zum Ätzen der Strukturen kann auch eine Maskierungsschicht der selektiven Epitaxie von n-Typ Material dienen. Die dadurch aufgebauten Stegstrukturen mit idealerweise vertikalen Seitenwänden werden – optimalerweise nach Entfernen der Maskierungsschicht – lateral mit der magnesiumdotierten Schicht in einem lateralen Wachstumsmode gefüllt. Dieser Ansatz ist insbesondere für Strukturen, die in der
US 2004/0 173 801 A1 bzw.
DE 102 59 373 A1 genannt werden, interessant.
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Eine Herstellung von rauen Oberflächen kann außer durch geeignete Wachstumsparameter z. B. auch durch eine in-situ abgeschiedene SiN Maske erfolgen. Dazu wird vor oder auf einer p-Typ Deckschicht das Wachstum durch Abschalten des Gaszuflusses gestoppt und durch gleichzeitiges Zuleiten von Ammoniak und Silizium eine Maskierungsschicht im Bereich von wenigen Monolagen gewachsen. Diese Schicht hemmt das Wachstum außer an einigen wenigen Stellen, die offen bleiben und wo beim weiteren Wachstum kleine, meist pyramidale Inseln wachsen. Diese besitzen Facetten geringerer Polarität, die durch geeignete Wachstumsbedingungen auch senkrecht, also als a- oder m-Fläche gestaltet werden können. Solch geeignete Wachstumsbedingungen wurden oben schon genannt. Nach dem Wachstum einer ausreichend dicken Schicht ist diese völlig planar. Hauptnachteil ist hier, dass ein zunehmender Anteil des Wachstums auf der c-Fläche erfolgt, wodurch die Ladungsträgerkonzentration nach oben hin abnimmt.
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Mögliche Bauelementanwendungen reichen von einfachen Lichtemittern wie LEDs über Laser bis zu Hochfrequenz- und Hochspannungsbauelementen wie HBTs und Hochspannungsschaltern. Bei HBTs ist eine hohe Löcherkonzentration der Basisschicht Voraussetzung für eine hohe Effizienz des Bauelements. Nach dem Wachstum einer Basisschicht nach einem der hier genannten Verfahren muss das Bauelement, bzw. die bis dahin bestehende Schichtenfolge, wiederum überwachsen werden, was idealerweise ohne weitere Wachstumsunterbrechung erfolgt, d. h. eine zurückbleibende Maskierung wie in Beispiel A muss entfernt und damit das Wachstum unterbrochen werden. Auf die Maskierung kann jedoch bei Wahl der Wachstumsbedingungen nach Anspruch 6 verzichtet werden, da dann fast kein vertikales Wachstum erfolgt.
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Die hier genannten Beispiele sind nach Anpassung auf die jeweiligen Besonderheiten der Verfahren mit allen epitaktischen Wachstumsmethoden wie z. B. Hydrid-Gasphasenepitaxie (hydride vapor Phase epitaxy, HVPE), Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy, MBE) und allen Precursoren möglich, die für die Gruppe-III und Gruppe-V Elemente zur Anwendung kommen können.
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Referenzen
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- [Figge] Stephan Figge, Roland Kröger, Tim Böttcher, Peter L. Ryder, and Detlef Hommel, Appl. Phys. Lett. 81, 4748 (2002)
- [Kaeding] J. F. Kaeding, H. Asamizu, H. Sato, M. Iza, T. E. Mates, S. P. DenBaars, J. S. Speck, and S. Nakamura, Appl. Phys. Lett. 89, 202104 (2006)
- [McLaurin] M. McLaurin, T. E. Mates, F. Wu, and J. S. Speck, J. Appl. Phys. 100, 063707 (2006)
