DE102009042349A1 - Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente - Google Patents

Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente Download PDF

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Abstract

Gruppe-III-Nitrid-Schichten haben einen Einsatzbereich in der Elektronik und der Optoelektronik. Das Wachstum solcher Schichten erfolgt in der Regel auf Substraten wie Saphir, SiC und neuerdings Si(111). Die dabei erzielten Schichten sind in der Regel in Wachstumsrichtung polar bzw. c-achsenorientiert. Für viele Anwendungen in der Optoelektronik, aber auch akustische Anwendungen in SAWs ist das Wachstum von un- oder semipolaren Gruppe-III-Nitrid-Schichten interessant bzw. notwendig. Das Verfahren ermöglicht das einfache und preiswerte Wachstum von polarisationsreduzierten Gruppe-III-Nitrid-Schichten ohne eine vorherige Strukturierung des Substrats.

Description

  • Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente.
  • Gruppe-III-Nitrid Schichten wachsen in der Regel in der polaren c-Achsenausrichtung auf Substraten auf. Für eine Vielzahl von Anwendungen ist es jedoch sehr interessant das GaN polarisationsreduziert bzw. unpolar aufzuwachsen. So wird z. B. von Lichtemittern durch eine Verringerung des Quantum Confined Stark Effekts eine höhere Lumineszenzausbeute erwartet und zum Beispiel bei SAW Bauelementen die Anregung einer schwach koppelnden Oberflächenwelle ermöglicht, welche das Messen von Beschichtungsdicken, Absorptionen etc. in Flüssigkeiten ermöglicht. Bislang ist das Wachstum solcher Schichten nur auf r- oder m-planarem Saphir und hexagonalem von der c-Achse verkippten, d. h. z. B. a-planaren oder m-planaren, SiC Substraten möglich. Auf dem preiswerten und industriell einfacher zu verarbeitendem Silizium dominiert fast immer das Wachstum von c-planarem GaN. Auf Si(001) konnte zwar bei spezieller Prozeßführung das Wachstum von hoch texturiertem r-planarem GaN gezeigt werden (F. Schulze, J. Bläsing, A. Dadgar, and A. Krost, Appl. Phys. Lett. 84, 4747 (2004)), aufgrund der dabei auftretenden vier gleichberechtigten Ausrichtungen jedoch nur mit einer für Anwendungen ungeeigneten Oberfläche. Zudem konnte auf strukturiertem Silizium gezeigt werden, dass darauf durch geeignetes Vorbehandeln der Substratoberfläche wie Maskieren, Ätzen etc. polarisationsreduziertes GaN erzielt werden kann (siehe z. B. M. Yang, H. S. Ahn, T. Tanikawa, Y. Honda, M. Yamaguchi, N. Sawaki, J. Cryst. Growth 311, 2914 (2009) oder T. Tanikawa, D. Ruolph, T. Hikosada, Y. Honda, M. Yamaguchi, N. Sawaki, J. Cryst. Growth 310, 4999 (2009)).
  • Direkt auf Siliziumsubstraten ohne eine aufwendige Strukturierung eine planare polarisationsreduzierte Schicht zu erzielen war bislang erfolglos. Dies liegt unter anderem daran, dass auf den meisten Halbleiteroberflächen von Zinkblende- oder Diamantgittermaterialien eine bei hohen Temperaturen gewachsene Keimschicht eine c-Achsenorientierung zur Folge hat.
  • Prinzipiell kann eine polarisationsreduzierte Ausrichtung der Gruppe-III-Nitridschicht durch die Verwendung der nach Anspruch 1 genannten Oberflächen erzielt werden. Solche Oberflächen bestehen z. B. bei Silizium meist aus einer Abfolge von stabilen (111) Oberflächen im Wechsel mit (001)-artigen Stufen bzw. Oberflächen. Auf den (111) Oberflächen wächst nun durch geeignete Prozeßführung GaN mit c-planarer Orientierung auf und ist somit zur Oberfläche um den entsprechenden Winkel geneigt. Dies gelingt besonders gut bei schwacher Neigung wie zum Beispiel bei Si(211), da hier die (111) Oberflächenterrassen mehrere Atome breit sind. Will man die Gruppe-III-Nitridschicht in deutlich höheren Winkeln zur Oberflächennormalen verkippen, sollte möglichst ein Substrat mit einer möglichst hohen Verkippung der (111) Ebenen zur Oberflächennormalen verwendet werden. Dies sind zum Beispiel Ebenen wie Si(311), Si(411), Si(511) etc.. Hier empfiehlt sich nach Anspruch 8 eine Vorbehandlung des Substrats, die höhere Stufen und damit breitere (111) Ebenen ermöglicht, auf denen die Gruppe-III-Nitridschicht dann fast ausschließlich mit c-Achsenorientierung aufwächst. Dazu kann man das Substrat idealerweise, um Kontaminationen zu vermeiden, in einer hochreinen Ausheizkammer vor der Epitaxie ausheizen und so das Cluster von Stufen und das Herausbilden breiterer (111) Terrassen forcieren.
  • Idealist das Wachstum nach Anspruch 5 auf Gruppe IV Halbleiteroberflächen aber auch Zinkblendematerialien wie z. B. GaAs, GaP oder InP sind dazu gut geeignet. Letztlich hängt dies mit den verwendeten Wachstumstemperaturen zusammen. So kann auf Germanium keine GaN Schicht bei üblichen Temperaturen in der MOVPE gewachsen werden (1050°C), da der Schmelzpunkt unterhalb von 1000°C liegt. Sehr wohl ist solch ein Substrat für die Epitaxie bei niedrigeren Temperaturen geeignet, sei es in der MOVPE oder besser in der MBE.
  • Für das Wachstum ideal geeignet sind nach den Ansprüchen 2–4 besonders Silizium Oberflächen wie Si(211), (311) und (322) aber auch alle anderen Siliziumoberflächen, die einen hohen Anteil von Si(111) Terrassen aufweisen, sind hierfür geeignet. Wichtig bei diesen Terrassen ist, dass es sich nicht um bloße Stufenkanten, sondern um mindestens drei benachbarte Oberflächenatome in einer Ebene handelt und somit die dreizählige Symmetrie dieser Oberfläche erkennbar ist, wie in Anspruch 9 genannt.
  • zeigt eine mögliche Oberflächenanordnung schematisch. So sind mögliche Stufen (201) zu sehen und dazwischen die Terrassen der (111) Oberflächen, die entweder keine (202) oder eine (203) dreizählige Symmetrie der Oberflächenatome erkennen lassen. Das heißt, dass die Stufen je nach Material mindestens 3 Angström bzw. nach Anspruch 9 zwei Monolagen breit sein sollten.
  • Ohne diese Anordnung ist das Aufwachsen der Gruppe-III-Nitridschicht nicht einkristallin bzw. nicht in einer Ausrichtung texturiert, was für eine geschlossene, qualitativ hochwertige Schicht unabdingbar ist.
  • Damit die Bekeimung zu einem einkristallinem Wachstum führt, ist es vorteilhaft, diese nach Anspruch 6 bei niedrigen Temperaturen, sprich deutlich niedrigeren als der üblichen Wachstumstemperatur für GaN und AlN, die bei über 1000°C bei Verfahren wie z. B. der MOVPE oder HVPE liegt, durchzuführen. Ideal sind Temperaturen um 700°C. Bei Verfahren, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, ist hingegen eine deutliche Absenkung der Keimschichttemperatur nicht zwingend notwendig. Durch diese Art der Bekeimung bei tiefen Temperaturen wird nur auf (111) Oberflächen eine Bekeimung, die ein einkristallines Wachstum zulässt, erzielt. Auf allen anderen Kristallorientierungen ist die Bekeimung tendenziell deutlich polykristalliner. Dadurch wachsen auf diesen anderen Flächen die nicht c-achsenorientierten Keime langsamer und können von den auf den (111) Flächen gewachsenen gut orientierten Kristalliten dominiert werden, so dass eine einkristalline Schicht entsteht.
  • Für Verfahren, die bei Temperaturen deutlich oberhalb von 900°C arbeiten, ist es zudem für das Wachstum von GaN vorteilhaft, wenn die Keimschicht nach Anspruch 7 hoch Al-haltig, wie z. B. AlN, AlGaN, AlInN oder AlGaInN, ist. Dadurch wird eine die Schicht und das Substrat zerstörende meltback etching Reaktion verhindert.
  • Auf der Basis des Herstellungsverfahrens lassen sich vielfältige Bauelemente herstellen bei denen sich die polarisationsreduktion vorteilhaft auswirkt. Dazu zählen unter anderem Leuchtdioden, Transistoren, MEMS und SAW-basierte Filter und Sensoren.
  • Es folgt eine kurze Beschreibung zur Herstellung der für spätere Bauelemente benötigten Pufferschicht.
  • Das Wachstum der Schicht beginnt allgemein vorzugsweise mit einer Vorbehandlung der Substratoberfläche, um diese von organischen Resten zu reinigen und von Oxiden zu befreien. Dazu gibt es zum einen nasschemische Methoden oder Ausheizverfahren, wobei letztere im Fall eines Gruppe-IV Substrat vorzugsweise in einer hochreinen Kammer durchgeführt werden, um unerwünschte Konataminationen der Oberfläche zu verhindern. Das vorbereitete Substrat wird dann in die Versuchskammer gelegt und zur Bekeimung möglichst zügig auf die Bekeimungstemperatur gebracht. Das Wachstum der Keimschicht beginnt vorzugsweise mit dem Vorströmen des Gruppe-III Elements, um eine Belegung im Bereich einer Monolage zu erzielen. Das Dazuschalten des Stickstoffprecursors führt dann zu einer Nitridierung und dem Wachstum der Keimschicht, die typischerweise zwischen 10–50 nm dick ist. Danach erfolgt in einer Wachstumspause, während der die Oberfläche mit dem Stickstoffprecursor stabilisiert wird, die Einstellung der für hochwertige dickere Schichten notwendigen Wachstumstemperatur und das Wachstum einer Bauelementpufferschicht. Auf diese folgt dann das Wachstum der aktiven bzw. funktionalen Schichten des Bauelements.
  • Um polarisationsreduzierte Schichten mit größeren Verkippungswinkeln der c-Achse zu erzielen, muß auf Substrate ausgewichen werden, welche naturgemäß nur einen geringen Anteil an (111) Oberflächen aufweisen. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, durch eine Behandlung des Substrats eine stärkere Stufenbildung (step bunching) und damit breitere Terrassen auf der Oberfläche zu erzielen. Um dies zu erreichen, werden meist Temperprozesse eingesetzt, bei denen das Substrat in einem geeigneten Trägergasstrom (H2 oder N2) ausgeheizt wird und dadurch die Oberfläche verändert wird. Je nach Substrattyp muß die Oberfläche während solch eines Prozesses stabilisiert werden, um eine Degradation zu verhindern. So z. B. GaAs mit Arsen oder InP und GaP mit Phosphor.
  • Beim Wachstum auf III-V Zinkblendesubstrate wie z. B. GaAs ist neben der eben beschriebenen Bekeimung auch möglich das Substrat nach Anspruch 10 durch eine Nitridierung der oberen Substratlagen im Fall von GaAs in GaN umzuwandeln.
  • Solche Prozesse werden in der Regel durch das Einleiten von Ammoniak oder Stickstoffradikalen bei Temperaturen > 350°C gestartet. Nach dem Erzielen einer ausreichend schützenden Gruppe-III-Nitridschicht wird dann in der Regel die Temperatur dann weiter auf die optimale Temperatur für das Gruppe-III-Nitrid Wachstum erhöht und das Wachstum der Bauelementschicht begonnen. Mit dieser Methode kann auch ohne eine Forcierung von breiten (111) Terrassen ein einkristallines Wachstum erzielt werden. Der Proess kann auch unter anfänglicher Stabilisierung der III-V Halbleiterschicht mit dem Gruppe-V-Element, also z. B. eines As-Precursors bei GaAs begonnen werden, und dann durch Zugabe der Stickstoffquelle dieses umgewandelt werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht auch eine höhere Temperatur für die Umwandlung, da so ein Abdampfen der Gruppe-V Komponente vor dem Einschalten der Stickstoffquelle vermieden werden kann.
  • Es folgt eine kurze Beschreibung der Abbildungen:
  • zeigt beispielhaft im Querschnitt die mögliche Grenzfläche einer Gruppe-III-Nitridschicht zu einem Gruppe-IV Substrat mit (211) Oberfläche. Diese Oberfläche besteht aus (111) Terrassen und (001) Stufen. Die (111) Terrassen sind um ca. 18° zur Oberflächennormalen verkippt. Durch das Wachstum einer c-achsenorientierten Gruppe-III-Nitridschicht senkrecht auf diesen (111) Oberflächen wächst die Gruppe-III-Nitridschicht zur Oberflächennormalen des Substrats mit einer Verkippung von ca. 18°, was in etwa einer (1016) Oberfläche entspricht.
  • zeigt schematisch die Aufsicht auf eine verkippte (111) Oberfläche, wobei nur die (111) Abschnitte zu erkennen sind. Zwischen den Stufen (201) können sich Terrassen mit (111) Oberflächen ausbilden, die entweder nur eine Monolage breit (202) oder breiter (203) sind. Auf der schmalen Terrasse (202) ist keine dreizählige Symmetrie der Oberlächenatome zu erkennen, diese tritt nur auf den breiteren Terrassen (203) auf. Diese sind aber für das Wachstum einer hochwertigen Schicht unabdingbar, da nur so eine ausreichende Orientierung der Gruppe-III-Nitrid Schicht auf dem Substrat möglich ist.
  • zeigt eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer GaN auf Si(211) Oberfläche. Die noch vorhandenen Krater können durch Optimierungen des Wachstumsprozesses eliminiert werden.
  • Die Erfindung bezieht sich auf alle Gruppe-III-Nitride auf Zinkblende oder Gruppe-IV Substraten mit einer von der (111) Oberfläche abweichenden Orientierung > 9° die noch (111) Oberflächen bzw. (111) Stufen aufweisen können. Die hier verwendete Bezeichung der Oberflächen oder Richtungen, mit () für Oberflächen und [] für Richtungen, soll alle äquivalenten Oberflächen bzw. Richtungen einschließen, so z. B. bei (111) auch die (111), (111), (111), (111), (111), (111), (111) Oberflächen. Ferner bezieht sie sich auf alle epitaktischen Herstellungsverfahren, die zur Herstellung von Gruppe-III-Nitrid Schichten geeignet sind. Dazu müssen häufig die Wachstumstemperaturen und V-III Verhältnisse den Gegebenheiten des Verfahrens angepasst werden. So liegen die Wachstumstemperaturen in der MBE in der Regel immer einige hundert Grad unterhalb der der MOVPE- oder HVPE-Verfahren.
  • Abkürzungen:
    • FET:
      Feldeffekttransistor
      HVPE:
      Hydride Vapor Phase Epitaxy, Hydrid Gasphasenepitaxie
      MBE:
      Molecular Beam Epitaxy, Molekularstrahlepitaxie
      MEMS:
      Micro Electromechnical Systems, Elektromechanisches Mikrosystem
      MOVPE, MOCVD:
      Metal organic vapor Phase epitaxy, Metallorganische Gasphasenepitaxie
      SAW:
      Surface Acoustic Wave, Oberflächenwellenbauelement
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • F. Schulze, J. Bläsing, A. Dadgar, and A. Krost, Appl. Phys. Lett. 84, 4747 (2004) [0002]
    • M. Yang, H. S. Ahn, T. Tanikawa, Y. Honda, M. Yamaguchi, N. Sawaki, J. Cryst. Growth 311, 2914 (2009) oder T. Tanikawa, D. Ruolph, T. Hikosada, Y. Honda, M. Yamaguchi, N. Sawaki, J. Cryst. Growth 310, 4999 (2009) [0002]

Claims (10)

  1. Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente, gekennzeichnet durch das Wachstum auf einem planarem Substrat mit Zinkblende oder Diamantstruktur und einer zur (111) Oberfläche > 9° fehlorientierten Oberfläche.
  2. Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Wachstum auf (211) orientierten Oberflächen
  3. Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Wachstum auf (311) orientierten Oberflächen
  4. Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Wachstum auf (322) orientierten Oberflächen
  5. Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Wachstum auf Gruppe-IV Halbleiteroberflächen
  6. Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Wachstum einer Keimschicht bei einer Temperatur oder Temperaturen, die bei Gasphasenverfahren unterhalb von 900°C, und bei Molekularstrahl- und Sputterverfahren unterhalb von 700°C liegen.
  7. Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Wachstum einer Al-haltigen Keimschicht.
  8. Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schaffung breiter Stufen mit (111) Oberflächen durch eine Behandlung mit physikalischen oder chemischen Prozessen, wobei die entstehenden (111) Terrassen eine dreizählige Oberflächensymmetrie aufweisen.
  9. Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Schaffung breiter Stufen mit (111) Oberflächen, wobei die entstehenden (111) Terrassen mindestens eine Breite, die zwei Monolagen entspricht, aufweisen.
  10. Semipolare wurtzitische Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterschichten und darauf basierende Halbleiterbauelemente nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Wachstum auf einer zur (111) Oberfläche > 9° fehlorientierten Oberfläche eines III-V Substrat mit Zinkblendestruktur und der Nitridierung mindestens einer Monolage der Oberfläche des Substrats durch Überleiten von Ammoniak, einer Stickstoff freisetzenden Verbindung oder Stickstoffradikalen vor dem Beginn des Gruppe-III-Nitrid Wachstums.
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