DE102011011043A1

DE102011011043A1 - Halbleiterschicht oder Halbleiterschichtsystem mit einer semipolaren oder m-planaren Gruppe-III-Nitrid Schicht oder einem Schichtsystem und ein darauf basierendes Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE102011011043A1
Application number: DE102011011043A
Authority: DE
Inventors: Dr. Dadgar Armin; Prof.Dr. Krost Alois; Dr. Veit Peter; Roghaiyeh Ravash
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2031-02-11
Also published as: TW201251112A; DE102011011043B4; WO2012107214A1

Abstract

Halbleiterschichten oder Halbleiterschichtsysteme mit zumindest einer semipolaren oder m-planaren Gruppe-III-Nitrid Schicht oder einem Schichtsystem, die für eine Vielzahl von elektronischen und insbesondere optoelektronischen Bauelementen geeignet sind. Solche semipolaren Schichten weisen insbesondere bei der Herstellung auf einem Heterosubstrat häufig eine hohe Dichte an Stapelfehlern auf wenn sie in semi- oder unpolarer Richtung gewachsen wurden. Die Reduktion dieser Stapelfehler durch die Wahl der Schichtenfolge in Bezug auf ihre Zusammensetzung und Gitterkonstante führt zu einer deutlich verbesserten Bauelementleistung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterschicht oder ein Halbleiterschichtsystem mit einer semipolaren oder m-planaren Gruppe-III-Nitrid Schicht oder einem Schichtsystem und ein darauf basierendes Halbleiterbauelement.
Gruppe-III-Nitrid basierte Halbleiterbauelemente, insbesondere LEDs weisen hohe piezoelektrische Felder in c-Achsenrichtung auf. Diese reduzieren die Effizienz von LEDs, insbesondere im langwelligen Emissionsbereich durch den Quantum Confined Stark Effekt [T. Deguchi, K. Sekiguchi, A. Nakamura, T. Sota, R. Matsuo, S. Chichibu und S. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys. 38, 1914 (1999)]. Daher ist man unter anderem bestrebt solche langwelligen LEDs oder Laser mit verringerter Polarisation in den lichtemittierenden Schichten zu erzielen. Dies gelingt z. B. durch ein Kippen der üblicherweise in Wachstumsrichtung zeigenden c-Achsenorientierung der Kristalle. Dabei existieren für InGaN/GaN basierte Multiquantenwellsysteme Minima bei einem Kippwinkel der c-Achse von ca. 45° und 90° [A. E. Romanov, T. J. Baker, S. Nakamura, and J. S. Speck, J. App. Phys. 100, 023522 (2006)]. Aber auch schon bei geringerem Kippwinkel ist eine deutliche Abnahme der Polarisationsfelder vorhanden, weshalb semipolare Gruppe-III-Nitride gegenüber nichtpolaren, die diese Effekte in Wachstumsrichtung prinzipiell nicht zeigen, interessant sind.
Nichtpolare Gruppe-III-Nitridschichten können in der Heteroepitaxie prinzipiell hergestellt werden, z. B. auf a- oder m-planarem SiC als a- oder m-orientiertes GaN oder a-planares GaN auf r-planarem Saphir [P. Vennéguès und Z. Bougrioua, Appl. Phys. Lett. 89, 111915 (2006)], aber auch auf Siliziumsubstraten [Y. Honda, Y. Kawaguchi, T. Kato, M. Yamaguchi, and N. Sawaki, in Proceedings of the International Workshop an Nitride Semiconductors, Nagoya, Japan, IPAP Conference Series 1, 304 (2000); T. Tanikawa, T. Hikosaka, Y. Honda, M. Yamaguchi, and N. Sawaki, Physica Status Solidi (c) 5, 2966 (2008)]. Dabei ist letztgenannte Methode durch die vor dem Wachstum notwendige Prozessierung relativ aufwendig. Zu dieser Methode auf Siliziumsubstraten gibt es inzwischen eine alternative Methode in Bezug auf das semipolare Wachstum auf hochindizierten Si-Substraten, wie z. B. in der Literatur beschrieben [Roghaiyeh Ravash, Jürgen Bläsing, Thomas Hempel, Martin Noltemeyer, Armin Dadgar, Jürgen Christen, and Alois Krost, Applied Physics Letters 95, 242101 (2009)].
Allgemein findet sich speziell in den erstgenannten nichtpolaren und in semipolaren Schichten, die auf Fremdsubstraten gewachsen wurden, eine hohe Anzahl von Stapelfehlern des Gruppe-III-Nitridkristalls.
Stapelfehler, die im wurtzitischen Kristall meist als ein kubischer Einschluss angesehen werden können, wirken wie dünne Quantentopfstrukturen und geben eine charakteristische Lumineszenz ab, die als effizienter Rekombinationskanal die eigentlich beabsichtigte Lumineszenz z. B. aus einem InGaN/GaN Multiquantenwellsystem stört.
Daher ist man bestrebt, solche Stapelfehler, die in c-achsenorientiertem Material fast nicht vorkommen, auch in semi- und nichtpolaren Schichten gänzlich zu verhindern. Bekannt ist, dass Methoden des epitaktischen lateralen Überwachsens, auch LEO, ELO oder ELOG genannt, die Anzahl an Stapelfehlern reduzieren können, nicht jedoch homogen über die gesamte Kristallfläche.
Zudem ist für dieses Verfahren in der Regel ein zweistufiger Wachstumsprozess und eine Strukturierung und Maskierung mit einem Material wie SiO oder SiN notwendig um ein selektives Wachstum zu ermöglichen. Daher hat sich diese Methode bislang nicht durchsetzen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit einfachen Mitteln einen möglichst stapelfehlerfreien semi- oder nichtpolaren wurtzitischen Gruppe-III-Nitrid Kristall zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird mit einer Halbleiterschicht oder einem Halbleiterschichtsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Halbleiterbauelement gemäß Anspruch 6 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen definiert. Die darin enthaltenen Merkmale sind jedoch auch mit anderen Merkmalen aus der nachfolgenden Beschreibung zu weiteren Ausgestaltungen verknüpfbar und nicht allein auf die jeweilige beanspruchte Weiterbildung beschränkt.
Die Halbleiterschicht bzw. das Halbleiterschichtsystem weist den Vorteil auf, dass durch die verringerte Stapelfehlerdichte insbesondere Lumineszenzbauelemente keine störende Veränderung der Lumineszenz erfahren.
Da Stapelfehler meist einen kubischen Einschluss im hexagonalen Gruppe-III-Nitrid Kristall bzw. einen hexagonalen im kubischen Kristall darstellen und durch die abweichende Energielücke im hexagonalen Material als Quanten Well betrachtet werden können der dann eine geringere Bandlückenenergie aufweist, wird damit z. B. auch die Lumineszenz von Licht emittierenden Schichten beeinflusst. Hinzu kommt, dass der Ladungsträgertransport beeinflusst wird und so neben der Lumineszenz auch der Ladungsträgertransport gestört wird. Daher sind Stapelfehler allgemein in der Regel nachteilig für alle Arten von elektrisch betriebenen Bauelementen und können auch z. B. bei Surface Acoustic Wave Bauelementen zu einer zusätzlichen Streuung der akustischen Welle und damit nachteiligen Materialeigenschaften führen. Daher ist für alle Bauelemente eine möglichst geringe Stapelfehleranzahl angezeigt.
Es wird eine Halbleiterschicht oder ein Halbleiterschichtsystem vorgeschlagen, welches zumindest eine semipolare oder m-planare Gruppe-III-Nitrid Schicht oder ein Schichtsystem mit einer semipolaren oder m-planaren Gruppe-III-Nitrid Schicht umfasst. Hierbei ist zumindest eine erste Schicht mit einer ersten Gitterkonstante vorgesehen, welche Stapelfehler aufweist.
Des Weiteren ist eine zweite Schicht mit einer zweiten Gitterkonstante vorgesehen, die eine geringere Anzahl an Stapelfehlern aufweist, als die der ersten Schicht. Zwischen der ersten und der zweiten Schicht ist eine dritte Schicht angeordnet, deren Gitterkonstante sich von der Gitterkonstante der ersten Schicht unterscheidet.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die erste und/oder die zweite Schicht in der Halbleiterschicht oder dem Halbleiterschichtsystem als Pufferschicht ausgebildet sein können. Die jeweiligen Schichten können hierbei einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein.
Unterscheidet sich die Gitterkonstante der Schichten, ist dabei aller Voraussicht nach ein Unterschied in der Wachstumsebene, auch „in-plane” genannt, entscheidend. Der Unterschied der Gitterkonstante in Wachstumsrichtung hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Wirksamkeit der Methode.
Die zwischen der ersten und zweiten Schicht ausgebildete dritte Schicht, die somit als Zwischenschicht fungiert, weist eine andere Gitterkonstante auf, als die unter dieser Schicht angeordnete Schicht, die vorzugsweise als Pufferschicht ausgebildet ist.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in der Halbleiterschicht oder dem Halbleiterschichtsystem die dritte Schicht, die vorzugsweise mit einer anderen Gitterkonstante ausgewählt ist, in einer Schichtdicke ausgebildet ist, die zu Anpassungsversetzungen führt.
Neben der Dicke der Schicht ist dabei ein wichtiger Parameter die Verspannung dieser Schicht. Die Ausbildung von Anpassungsversetzungen bewirkt ein teil- oder vollständiges Relaxieren der Zwischenschicht im Vergleich zum darunterliegenden Material. Die danach weitergeführte zweite Schicht, beispielsweise in Form einer Pufferschicht, ist dann meist auch entsprechend anders verspannt als die erste Schicht, die ebenfalls als Pufferschicht ausgebildet sein kann und an der Zwischenschicht angeordnet ist.
Durch diese Vorgehensweise kann ein Spannungsfeld in der Zwischenschicht und den angrenzenden Schichten entstehen, welches vor allen Dingen bei nicht senkrecht in Wachstumsrichtung verlaufenden Stapelfehlern zu einer Auslöschung der Stapelfehler in der zweiten Schicht führt. Dabei ist es wahrscheinlich, dass durch die verspannte Zwischenschicht Anpassungsversetzungen präferenziell an Stapelfehlern entstehen, die diese Stapelfehler dadurch in der nachfolgenden zweiten Schicht bzw. an einer Grenzfläche der Zwischenschicht auslöschen können. Dies kann z. B. über Anpassungsversetzungen mit einem Burgersvektor vom Typ 1/6<20-23> geschehen, wie sie bei der Generation von Stapelfehlern durch kompressiv verspannte InGaN Quantenwells auf m-planarem GaN beobachtet wurden [Alec M. Fischer, Zhihao Wu, Kewei Sun, Qiyuan Wei, Yu Huang, Ryota Senda, Daisuke Iida, Motoaki Iwaya, Hiroshi Amano, and Fernando A. Ponce, Applied Physics Express 2, 041002 (2009)].
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Halbleiterschicht oder dem Halbleiterschichtsystem das Wachstum eines Gruppe-III-Nitridkristalls in einer semipolaren bzw. nichtpolaren Orientierung vom Typ <h0-hl> mit h ≥ 1 und l ≥ 0 vorliegt.
Als semipolare Schichten sollen alle Schichten gelten bei denen die c-Achse um mindestens 5° aus der senkrechten der Halbleiteroberfläche verkippt ist, bei Kippwinkeln > 98° gelten die Schichten dann als unpolar. Der beschriebene Effekt tritt am deutlichsten bei Schichten auf, deren c-Achse in Richtung <10-10> bzw. der m-Richtung verkippt ist. Dies korreliert sehr wahrscheinlich mit der Konfiguration der Oberflächenatome und den bestmöglichen Anpassungsversetzungen, welche wahrscheinlich Burgersvektoren mit einer Komponente in m-Richtung haben. Die Verkippung in <10-10> Richtung ist entsprechend günstiger ist als die andere häufig anzutreffende Verkippung in <11-20> Richtung bzw. der a-Richtung. Dies wird bislang auch im Experiment beobachtet.
Daher ist eine weitere vorteilhafte Ausführung einer Halbleiterschicht oder eines Halbleiterschichtsystems das Wachstum des Gruppe-III-Nitridkristalls in der semipolaren bzw. nichtpolaren Orientierung vom Typ <h0-hl> mit h ≥ 1 und l ≥ 0.
Dennoch lässt sich auch bei Verkippung in die a-Richtung, also <11-20> bzw. bei a-planarer Oberflächenorientierung prinzipiell eine Reduktion der Stapelfehlerdichte nach dem anspruchsgemäßen Verfahren erzielen wenn zuerst ein dreidimensionales Wachstum mit m-artigen Kristallfacetten forciert wird. Auf diesen wird die erfindungsgemäße Schichtenfolge aufgebracht und danach durch geeignete Wahl der Wachstumsparameter die Oberfläche wieder geglättet, so dass eine Oberfläche vom Typ {11-2l} mit l ≥ 0 entsteht.
Spitze Klammern beschreiben, wie in der Kristallographie üblich, äquivalente Richtungen. So ist <10-10> gleichbedeutend mit den Richtungen [10-10], [-1010], [1-100], [-1100], [01-10], und [0-110], d. h. in diesem Fall eine Verkippung in eine dieser Richtungen. Leichte Abweichungen im Bereich von etwa ±5° sind hierbei mit eingeschlossen. Geschweifte Klammern wie z. B. bei {11-23} beschreiben äquivalente Flächen also z. B. die (11-23) oder (1-213) Oberflächen.
Die eingebrachten erfindungsgemäßen Schichten können auch bei niedrigerer Temperatur als die der darunterliegenden Pufferschicht abgeschieden werden. Dies ist z. B. von Niedertemperatur AlN oder GaN Schichten bekannt [H. Amano, M. Iwaya, T. Kashima, M. Katsuragawa, I. Akasaki, J. Han, S. Hearne, J. A. Floro, E. Chason and J. Figie: Jpn. J. Appl. Phys. 37, L1540 (1998)]. Dabei ist bekannt, dass diese die Materialqualität von c-achsenorientierten Schichten verbessern und als rissvermeidende Schichten für GaN auf Siliziumsubstraten verwendet werden können [Armin Dadgar, Jürgen Bläsing, Annette Diez, Assadullah Alam, Michael Heuken und Alois Krost, Jpn. J. Appl. Phys. 39, 11183 (2000)]. Auf c-achsenorientierten Schichten ist die Thematik der Stapelfehler jedoch nicht relevant, da praktisch nicht präsent. Daher sind solche Schichten bislang nicht für eine Reduktion der Stapelfehlerdichte bekannt, bzw. gezielt eingesetzt worden.
Zur Reduktion von Stapelfehlern sind Al-reiche Schichten vorteilhaft, d. h. Schichten mit kleinerer Gitterkonstante, wie z. B. bei GaN. Auf Saphirsubstraten ist die Anwendung von Zwischenschichten, speziell von Al-reichen Zwischenschichten, auch nicht angezeigt, da diese zu einer starken Kompression und damit sehr gekrümmten Wafern nach dem Wachstum führen. Schichten auf Siliziumsubstraten, wie in [Roghaiyeh Ravash, Jürgen Bläsing, Thomas Hempel, Martin Noltemeyer, Armin Dadgar, Jürgen Christen, and Alois Krost, Applied Physics Letters 95, 242101 (2009)] genannt basieren, wurden mit AlN Schichten im Puffer realisiert um die Gefahr der Rissbildung auf Siliziumsubstraten zu minimieren und auch dem sogenannten meltback etching, einer Ga-Si Reaktion, welche die wachsende Schicht zerstört, entgegenzuwirken, nicht jedoch zur Elimination von Stapelfehlern. Dabei sind Al-reiche Puffer auf Siliziumsubstraten allgemein vorteilhaft zur Reduktion von meltback-etching Reaktionen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung für die Halbleiterschicht oder das Halbleiterschichtsystem erfolgt das Wachstum der dritten Schicht mit einer anderen Gitterkonstanten bei einer um mindestens 100 K niedrigeren Temperatur als das Wachstum der ersten Schicht, beispielsweise einer Pufferschicht. Solche Niedertemperaturschichten basieren vorzugsweise auf AlN oder AlGaN bzw. haben bevorzugt eine kleinere Gitterkonstante als das umgebende Material. Die Abnahme der Stapelfehlerdichte nach dem Wachstum von ca. 10 nm einer AlN Zwischenschicht umgeben von GaN ist so stark, dass in der GaN Lumineszenz, aber auch in transmissionselektronischen Aufnahmen praktisch keine Hinweise auf Stapelfehler zu finden sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist in der Halbleiterschicht oder dem Halbleiterschichtsystem das Wachstum der Zwischenschicht mit kleinerer Gitterkonstante als die der darauf folgenden Schicht vorgesehen. Dabei kann die darauf folgende Schicht als Pufferschicht ausgebildet sein, die an der dritten Schicht angeordnet ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung zur effizienten Reduktion der Stapelfehlerdichte ist daher gegeben durch das Wachstum einer Zwischenschicht mit kleinerer Gitterkonstante als die der darauf folgenden Schicht. Dies ist z. B. AlN zwischen GaN Pufferschichten.
Dabei sind prinzipiell sogar Niedertemperaturzwischenschichten aus demselben Material des Puffers möglich wenn durch die Temperaturänderung zum Wachstum der Zwischenschicht der Puffer derart verspannt ist, dass die darauf gewachsene Niedertemperaturschicht mindestens teilweise relaxiert, d. h. bei der dann eingestellten Temperatur einen anderen Verspannungszustand besitzt, was bei Temperaturänderungen von über 300 K beim Wachstum auf einem Heterosubstrat der Fall sein kann.
Allgemein ist im Fall einer nur teilweisen Reduktion der Stapelfehler die Wiederholung der Zwischenschicht sinnvoll.
Ein Siliziumsubstrat ist nach gegenwärtigem Stand für die erfindungsgemäße Anwendung weniger gut geeignet, da das Wachstum semi- oder nichtpolarer Schichten auf Silizium entweder eine aufwendige Prozessierung des Substrats erfordert oder direkt auf speziellen Substratorientierungen gewachsen, sehr häufig zur Rissbildung und starkem meltback etching führt. Dies zu vermeiden erfordert eine aufwendigere Prozessführung. Auch ist die erzielbare Materialqualität, welche entscheidend für die Bauelementleistung ist, auf Substraten wie SiC oder Saphir derzeit besser.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Halbleiterbauelement zur Verfügung gestellt, welches zumindest eine Halbleiterschicht oder ein Halbleiterschichtsystem beinhaltet, umfassend zumindest eine semipolare oder m-planare Gruppe-III-Nitrid Schicht oder ein Schichtsystem mit einer semipolaren oder m-planaren Gruppe-III-Nitrid Schicht, umfassend zumindest eine erste Schicht mit einer ersten Gitterkonstanten und Stapelfehlern, eine zweite Schicht mit einer zweiten Gitterkonstanten und mit einer geringeren Anzahl an Stapelfehlern als die der ersten Schicht, wobei zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht eine dritte Schicht angeordnet ist, deren Gitterkonstante von der Gitterkonstante der ersten Schicht verschieden ist.
Ein beanspruchtes Halbleiterbauelement, basierend auf bzw. enthaltend solch eine Pufferstruktur ist anspruchsgemäß ein Bauelement, bei dem vor den Schichten, die auch als aktive Schichten oder Bereiche fungieren können, eine erfindungsgemäße Struktur gewachsen wurde.
Ein weiteres bevorzugtes Halbleiterbauelement ist ein lichtemittierendes Halbleiterbauelement. Dieses Halbleiterbauelement kann eine semipolare Gruppe-III-Nitridschicht mit einer Schicht vor dem aktiven Bereich des Bauelements enthalten, die eine andere Gitterkonstante besitzt.
Diese beanspruchten Bauelemente können z. B. LEDs oder Laser sein, die die erfindungsgemäße Schichtstruktur auch im unteren Teil der LED, welcher der Stromverteilung und Kontaktierung dient, enthalten. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführung ohne eine solche Schicht im funktionalen Teil des Bauelements um Widerstände möglichst gering zu halten.
Als Wachstumsmethoden kommen alle Verfahren in Frage, welche epitaktische Schichten erzeugen können. Dazu zählen z. B. Molekularstrahlepitaxie (MBE), Hydrid-Gasphasen-Epitaxie (HVPE), Pulsed Laser Deposition (PLE), aber auch Sputterverfahren.
Je nach Beschaffenheit der erzeugten Halbleiterschichten oder Halbleiterschichtsysteme oder Halbleiterbauelemente können diese in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt werden, wie beispielsweise für Lichtemitter, Transistoren, Dioden, photovoltaische Zellen, Oberflächen- oder Bulkwellenbauelemente, oder mikroelektromechanische Systeme.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale werden anhand der nachfolgenden Figuren jeweils näher erläutert. Die dort dargestellten Bespiele sind jedoch nicht beschränkend auszulegen, sondern beispielhaft. Die nachfolgend beschriebenen Merkmale sind jeweils auch mit Merkmalen aus den anderen Figuren sowie mit Merkmalen der oben beschriebenen Offenbarung zu weiteren Ausgestaltungen verknüpfbar. Es zeigen:
1 Eine schematische Darstellung eines Schichtenaufbaus von Halbleiterschichten oder Halbleiterschichtsysteme
2 einen Querschnitt eines Schichtenaufbaus von Halbleiterschichten oder Halbleiterschichtsysteme in transmissionselektronenmikroskopischer Aufnahme betrachtet.
1 zeigt den Aufbau einer erfindungsgemäßen Pufferschicht auf einem Substrat 100 mit einer Ankeimschicht 101, einer Pufferschicht 102, einer Zwischenschicht 103 und einer darüber liegenden stapelfehlerreduzierten bzw. stapelfehlerfreier oberen Pufferschicht 104. Solch eine Struktur dient anschließend z. B. als Basis für das Wachstum einer LED Struktur mit n- und p-leitenden Bereichen, zwischen denen sich eine Multiquantenwellstruktur befindet.
Dabei müssen die Schichten 102 und 103 nicht aus demselben Material bestehen. Prinzipiell ist dann auch das Wachstum einer Struktur ohne die Zwischenschicht 103 denkbar, da bei ausreichender Verspannung unterschiedlicher Schichten 102 und 104 auch eine Relaxation und eine Verringerung der Stapelfehlerdichte auftritt. Die besten Ergebnisse lassen sich jedoch dadurch erzielen, dass in der Halbleiterschicht oder dem Halbleiterschichtsystem ein Wachstum der Schicht 103 bei einer um mindestens 100 K niedrigeren Temperatur als ein Wachstum in der Schicht 102 erfolgt und dabei das Wachstum der Schicht 103 mit kleinerer Gitterkonstante als die der darauf folgenden Schicht 104 erfolgt.
Dazu wird als Ausführungsbeispiel das Wachstum einer Struktur mit solch einer Zwischenschicht beschrieben.
Auf einem geeigneten Substrat 100 wie z. B. Saphir mit (10-10) Orientierung wird beispielsweise mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE/MOCVD) nach dem Ausheizen unter Wasserstoff bei ca. 1100°C eine ca. 25 nm dicke GaN Keimschicht 101 mit Trimethylgallium und Ammoniak als Quellengasen bei Temperaturen von ca. 530°C aufgewachsen. Danach folgt das Aufheizen auf ca. 1050°C und ein kurzes Tempern von ca. 2 min unter H₂ Trägergas und Ammoniak. Anschließend wird unter Trimethylgalliumzufuhr eine ca. 1 μm dicke GaN Schicht 102 gewachsen. Diese hat dann z. B. eine Orientierung vom Typ (10-13). Idealerweise wird die Wachstumstemperatur dann auf ca. 800°C gesenkt und eine ca. 10 nm dicke AlN Schicht 103 mit Trimethylaluminium als Aluminiumquelle gewachsen. Nach dem Aufheizen wird wiederum eine GaN Schicht gewachsen, welche dann nahezu frei von Stapelfehlern ist. Diese Schicht 104 kann auch schon eine erste funktionale Schicht eines Halbleiterbauelements sein. Dieses Halbleiterbauelement ist vorzugsweise gekennzeichnet durch eine semipolare Gruppe-III-Nitridschicht mit einer Schicht vor dem aktiven Bereich des Bauelements, die eine andere Gitterkonstante besitzt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Zwischenschicht 103 aus dem vorangegangenen Beispiel bei derselben Temperatur wie die davorliegende Schicht 102 gewachsen. Handelt es sich ebenfalls um AlN, ist diese dann vorzugsweise dicker als 10 nm zu wachsen, um eine ähnliche Stapelfehlerreduktion zu bewirken. Typischerweise ist diese Schicht 103 in einer Dicke von etwa 20 nm ausgebildet.
In einem dritten Ausführungsbeispiel wird die Zwischenschicht 103 aus dem zweiten Ausführungsbeispiel aus einer in Stufen oder kontinuierlich gradierten AlGaN Schicht gewachsen. Diese sollte dann deutlich dicker als 10 nm sein, da die Verspannungen, die vorzugsweise zu Anpassungsversetzungen führen, geringer ausfallen.
Die Zwischenschichten können allgemein aus AlGaInN bestehen, aber auch Beimengungen von B, As, oder P sind möglich, bringen aber keine nennenswerten Vorzüge für das anschließende Wachstum. Auch kann die Komposition über der Dicke variieren, bzw. die Zwischenschicht aus mehreren dünnen Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen.
Schichten mit AlN Zwischenschichten wie in [Roghaiyeh Ravash, Jürgen Bläsing, Thomas Hempel, Martin Noltemeyer, Armin Dadgar, Jürgen Christen, and Alois Krost, Applied Physics Letters 95, 242101 (2009)] genannt zeigen in der Lumineszenz noch deutliche Stapelfehlerlumineszenz. Hier sind AlN Schichten zur Unterdrückung des meltback-etching im unteren Teil der Pufferschicht eingebracht, die wachstumsbedingt noch 3-dimensional aufwächst. Dabei ist es für eine effiziente Reduktion der Stapelfehler sehr wahrscheinlich entscheidend, dass die Zwischenschichten auf einer nahezu planaren Schicht aufgewachsen werden. Dies ist auch in 2 zu sehen.
In 2 ist eine zu 1 äquivalente Schichtstruktur in transmissionselektronenmikroskopischer Aufnahme zu sehen. Dabei sind die Stapelfehler anhand der diagonal bzw. senkrecht zur c-Achse laufenden hellen Linien 205 zu erkennen. Ist die AlN-Schicht nicht planar, so wie in 206 zu sehen, so können sich Stapelfehler auch darüber hinaus fortsetzen 207. Dies kann z. B. an einer ungünstigen Facettenorientierung liegen, aber auch an einer auf der Facette zu dünn aufgewachsenen AlN Schicht. Es ist in Bezug auf die Stapelfehler jedoch auf jeden Fall nicht vorteilhaft die Schichten 203 bzw. 103 auf einer nicht planarisierten Oberfläche einer Schicht 202 bzw. 102 zu wachsen, insbesondere wenn diese raue Oberfläche eine Vielzahl unterschiedlicher Facettenwinkel mit stark variierendem Anteil aufweist. Jedoch kann mit gezielt hergestellten und optimierten 3-dimensional gewachsenen Strukturen mit definierten Facetten eine optimierte Schicht vom Typ 103 bzw. 203 erfolgreich gewachsen werden. Dies sind z. B. die in einer zuvor erläuterten Ausführungsform aufgeführten m-planaren Oberflächen auf nominell a-planar orientiertem GaN.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

T. Deguchi, K. Sekiguchi, A. Nakamura, T. Sota, R. Matsuo, S. Chichibu und S. Nakamura, Jpn. J. Appl. Phys. 38, 1914 (1999) [0002]
A. E. Romanov, T. J. Baker, S. Nakamura, and J. S. Speck, J. App. Phys. 100, 023522 (2006) [0002]
P. Vennéguès und Z. Bougrioua, Appl. Phys. Lett. 89, 111915 (2006) [0003]
Y. Honda, Y. Kawaguchi, T. Kato, M. Yamaguchi, and N. Sawaki, in Proceedings of the International Workshop an Nitride Semiconductors, Nagoya, Japan, IPAP Conference Series 1, 304 (2000) [0003]
T. Tanikawa, T. Hikosaka, Y. Honda, M. Yamaguchi, and N. Sawaki, Physica Status Solidi (c) 5, 2966 (2008) [0003]
Roghaiyeh Ravash, Jürgen Bläsing, Thomas Hempel, Martin Noltemeyer, Armin Dadgar, Jürgen Christen, and Alois Krost, Applied Physics Letters 95, 242101 (2009) [0003]
Alec M. Fischer, Zhihao Wu, Kewei Sun, Qiyuan Wei, Yu Huang, Ryota Senda, Daisuke Iida, Motoaki Iwaya, Hiroshi Amano, and Fernando A. Ponce, Applied Physics Express 2, 041002 (2009) [0019]
H. Amano, M. Iwaya, T. Kashima, M. Katsuragawa, I. Akasaki, J. Han, S. Hearne, J. A. Floro, E. Chason and J. Figie: Jpn. J. Appl. Phys. 37, L1540 (1998) [0025]
Armin Dadgar, Jürgen Bläsing, Annette Diez, Assadullah Alam, Michael Heuken und Alois Krost, Jpn. J. Appl. Phys. 39, 11183 (2000) [0025]
Roghaiyeh Ravash, Jürgen Bläsing, Thomas Hempel, Martin Noltemeyer, Armin Dadgar, Jürgen Christen, and Alois Krost, Applied Physics Letters 95, 242101 (2009) [0026]
Roghaiyeh Ravash, Jürgen Bläsing, Thomas Hempel, Martin Noltemeyer, Armin Dadgar, Jürgen Christen, and Alois Krost, Applied Physics Letters 95, 242101 (2009) [0049]

Claims

Halbleiterschicht oder Halbleiterschichtsystem, umfassend zumindest eine semipolare oder m-planare Gruppe-III-Nitrid Schicht oder ein Schichtsystem mit einer semipolaren oder m-planaren Gruppe-III-Nitrid Schicht, umfassend zumindest eine erste Schicht (102) mit einer ersten Gitterkonstanten und Stapelfehlern, eine zweite Schicht (104) mit einer zweiten Gitterkonstanten und mit einer geringeren Anzahl an Stapelfehlern als die der ersten Schicht (102), wobei zwischen der ersten Schicht (102) und der zweiten Schicht (104) eine dritte Schicht (103) angeordnet ist, deren Gitterkonstante von der Gitterkonstante der ersten Schicht (102) verschieden ist.
Halbleiterschicht oder Halbleiterschichtsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Schichtdicke der Schicht (103), die zu Anpassungsversetzungen führt.
Halbleiterschicht oder Halbleiterschichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass ein Wachstum der Schicht (103) bei einer um mindestens 100 K niedrigeren Temperatur als ein Wachstum in der Schicht (102) erfolgt.
Halbleiterschicht oder Halbleiterschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Wachstum der Schicht (103) mit kleinerer Gitterkonstante als die der darauf folgenden Schicht (104).
Halbleiterschicht oder Halbleiterschichtsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Wachstum eines Gruppe-III-Nitridkristalls in einer semipolaren bzw. nichtpolaren Orientierung vom Typ <h0-hl> mit h ≥ 1 und l ≥ 0.
Halbleiterbauelement, umfassend zumindest eine Halbleiterschicht oder ein Halbleiterschichtsystem, umfassend zumindest eine semipolare oder m-planare Gruppe-III-Nitrid Schicht oder ein Schichtsystem mit einer semipolaren oder m-planaren Gruppe-III-Nitrid Schicht, umfassend zumindest eine erste Schicht (102) mit einer ersten Gitterkonstanten und Stapelfehlern, eine zweite Schicht (104) mit einer zweiten Gitterkonstanten und mit einer geringeren Anzahl an Stapelfehlern als die der ersten Schicht (102), wobei zwischen der ersten Schicht (102) und der zweiten Schicht (104) eine dritte Schicht (103) angeordnet ist, deren Gitterkonstante von der Gitterkonstante der ersten Schicht (102) verschieden ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass es lichtemittierend ist.
Verwendung einer Halbleiterschicht oder eines Halbleiterschichtsystems oder eines Halbleiterbauelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche für – Lichtemitter, – Transistoren, – Dioden, – photovoltaische Zellen, – Oberflächen- oder Bulkwellenbauelemente oder – mikroelektromechanische Systeme.