DE102011108080A1 - Group III nitride-based layer sequence, device and method of manufacture - Google Patents

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Abstract

Gruppe-III-Nitrid-basierte Schichtenfolge (100), zumindest umfassend eine AlxGayIn1-x-yN-basierte Keimschicht (102) und eine AlxGayIn1-x-yN-Schicht (103) auf einem Gruppe-IV-Substrat (101) mit x < 0.2 und x + y ≤ 1, wobei die AlxGayIn1-x-yN-Keimschicht (102) auf dem Substrat (101) angeordnet ist und x > 0.2 gilt.Group III nitride-based layer sequence (100), comprising at least one AlxGayIn1-x-yN-based seed layer (102) and an AlxGayIn1-x-yN layer (103) on a group IV substrate (101) with x <0.2 and x + y ≦ 1, wherein the AlxGayIn1-x-yN seed layer (102) is disposed on the substrate (101) and x> 0.2.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gruppe-III-Nitrid-basierte Schichtfolge, sowie daraus hergestellte Bauelemente und Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to a group III nitride-based layer sequence, as well as components produced therefrom and methods for their preparation.

Gruppe-III-Nitrid-basierte Schichtfolgen sind aufgrund der direkten Bandlücke für eine Vielzahl von Anwendungen wie lichtemittierende Dioden und Hochspannungs- und Hochfrequenztransistoren hervorragend geeignet. Darüber hinaus sind sie durch die theoretisch sehr große einstellbare Bandlücke vom UV-Bereich mit 6.2 eV durch Aluminiumnitrid (AlN) über 3.4 eV durch Galliumnitrid (GaN) bis in den IR-Bereich mit 0.68 eV durch Indiumnitrid (InN) hervorragend für Lichtemitter, Photodetektoren als auch photovoltaische Zellen geeignet. Letztere werden gegenwärtig zum Großteil auf der Basis von Silizium und neuerdings auch von Chalkogeniden und III–V-Halbleitern realisiert. Bei letzteren handelt es sich meist um Arsenid- oder Phosphid-basierte Mehrfachsolarzellen, die sehr hohe Wirkungsgrade bei relativ hohem Preis erzielen.Group III nitride-based layer sequences are well suited for a variety of applications such as light emitting diodes and high voltage and high frequency transistors due to the direct band gap. In addition, they are excellent for light emitters, photodetectors due to the theoretically very large adjustable bandgap from the UV range with 6.2 eV through aluminum nitride (AlN) over 3.4 eV through gallium nitride (GaN) to the IR range with 0.68 eV through indium nitride (InN) as well as photovoltaic cells suitable. The latter are currently largely realized on the basis of silicon and, more recently, chalcogenides and III-V semiconductors. The latter are usually arsenide or phosphide-based multiple solar cells, which achieve very high efficiencies at a relatively high price.

Gruppe-III-Nitride haben gegenüber herkömmlichen Zellen einen großen Vorteil in Bezug auf Temperaturstabilität, chemische Resistenz und Strahlungsresistenz. Letztere ist entscheidend für Weltraumanwendungen. Das Wachstum von Gruppe-III-Nitriden auf einer Vielzahl von Heterosubstraten wie Saphir oder Siliciumcarbid (SiC) ist seit Jahren bekannt und auch das Wachstum auf Siliziumsubstraten gewinnt aufgrund von Skalierungs- und Preisvorteilen zunehmend an Bedeutung. Auf SiC und Silicium (Si) wird dazu in der Regel eine Gruppe-III-Nitridschicht mit einer Al-haltigen Keimschicht vom Typ AlGaN (SiC) bzw. AlN (Si und SiC) aufgebracht, um darauf eine Bauelementschicht, meist basierend auf einem dicken GaN-Puffer, zu realisieren.Group III nitrides have great advantages over conventional cells in terms of temperature stability, chemical resistance and radiation resistance. The latter is crucial for space applications. The growth of Group III nitrides on a variety of heterosubstrates such as sapphire or silicon carbide (SiC) has been known for years, and growth on silicon substrates is also becoming increasingly important due to scaling and price advantages. For this purpose, a group III nitride layer having an Al-containing seed layer of the AlGaN (SiC) or AlN (Si and SiC) type is usually applied to SiC and silicon (Si) in order to have a component layer, usually based on a thick layer GaN buffer to realize.

Es gibt mehrere Gründe, warum dies für Solarzellen nicht erwünscht ist. So führt ein Si/AlN Übergang zu einer hohen Barriere und einem isolierenden Übergang, der für vertikalen Stromfluss ungeeignet ist. Ager et al. [Joel W. Ager III, et al., Phys. Status Solidi C 6, S413 (2009) ] haben gezeigt, dass zwischen p-Si und n-GaInN mit In-Konzentrationen > 30% der Bandoffset zwischen dem Siliziumvalenzband und dem GaInN-Leitungsband verschwindet, was zu einem nahezu verschwindenden elektrischen Widerstand über die Grenzfläche führt. Solch ein Übergang ist sowohl für eine Vielzahl von Bauelementen, wie zum Beispiel vertikalen Dioden als Schalter oder für LEDs, als auch für Solarzellen sehr interessant.There are several reasons why this is not desirable for solar cells. Thus, a Si / AlN junction results in a high barrier and an insulating junction that is unsuitable for vertical current flow. Ager et al. [Joel W. Ager III, et al., Phys. Status Solidi C 6, S413 (2009) ] have shown that between p-Si and n-GaInN with In concentrations> 30% the band offset between the silicon valence band and the GaInN conduction band disappears, which leads to a nearly vanishing electrical resistance across the interface. Such a transition is very interesting for a large number of components, such as vertical diodes as switches or for LEDs, as well as for solar cells.

Hauptproblem bei der Herstellung von GaInN-Pufferschichten ist das Wachstum, insbesondere auf Siliziumsubstraten, wo eine Reaktion zwischen Gallium und dem Silizium zum sogenannten meltback etching führt [siehe z. B. Kapitel IV von A. Dadgar in III–V Compound Semiconductor: Integration with Silicon-based Microelectronics, Editoren T. Li, M. Mastro, und A. Dadgar (CRC Press, Boca Raton, FL, 2010) .]. Das meltback etching, besonders ausgeprägt bei Verfahren die Schichten aus der Gasphase abscheiden, führt zu einer Löcherbildung in Siliziumsubstraten und zur Ausbildung von Silizium-Stickstoffreichen Ausscheidungen, bzw. einer hohen und meist unerwünschten Siliziumdotierung der wachsenden Schicht durch das ausgelöste Silizium. Dies ist beispielhaft in gezeigt, wo das Siliziumsubstrat (401) mit GaInN (402) bewachsen wurde und die durch meltback etching gebildeten Löcher im Substrat (403) teilweise wieder mit GaInN gefüllt sind. Insgesamt führt das Wachstum mit GaInN Keimschicht zu einer starken Unordnung der darauffolgenden Schicht. Unabhängig vom meltback etching ist die Bekeimung mit dieser Verbindung auf einer Vielzahl von Substraten wie zum Beispiel Si, Germanium (Ge), Diamant (C) oder Mischungen davon nicht ideal und führt zu einer starken Verdrehung und Verkippung der Kristallite, die in zu erkennen ist und die Schicht- und Bauelementeigenschaften negativ beeinflussen.The main problem in the production of GaInN buffer layers is the growth, in particular on silicon substrates, where a reaction between gallium and the silicon leads to so-called meltback etching [see, for example, US Pat. B. Chapter IV by A. Dadgar in III-V Compound Semiconductor: Integration with Silicon-based Microelectronics, editors T. Li, M. Mastro, and A. Dadgar (CRC Press, Boca Raton, FL, 2010) .]. The meltback etching, which is particularly pronounced in processes which deposit the layers out of the gas phase, leads to a hole formation in silicon substrates and to the formation of silicon-nitrogen-rich precipitates, or a high and usually unwanted silicon doping of the growing layer by the triggered silicon. This is exemplary in shown where the silicon substrate ( 401 ) with GaInN ( 402 ) and the holes formed by meltback etching in the substrate ( 403 ) are partially filled again with GaInN. Overall, the growth with GaInN seed layer leads to a strong disorder of the subsequent layer. Regardless of the meltback etching, nucleation with this compound on a variety of substrates such as Si, germanium (Ge), diamond (C) or mixtures thereof is not ideal and leads to severe twisting and tilting of the crystallites which are in can be seen and adversely affect the layer and device properties.

Angestrebt wird für einen niedrigen Widerstand bei vertikaler Stromleitung ein geringer Bandoffset der Halbleiter bei bestmöglicher Kristallqualität was mit InGaN auf Silizium prinzipiell machbar ist [ Joel W. Ager III, et al., Phys. Status Solidi C 6, S413 (2009) ]. Dabei ist das direkte Wachstum von GaN Schichten auf Silizium und die Problematik des meltback etching bekannt und stellt ein ungelöstes Problem dar. Bekannt ist ebenfalls, dass zur Vermeidung des meltback etching AlN basierte Keimschichten verwendet werden, die jedoch eine hohe Bandlückenenergie aufweisen und daher für vertikalen Stromfluss ungeeignet sind [siehe z. B. Kapitel IV von A. Dadgar in III–V Compound Semiconductor: Integration with Silicon-based Microelectronics, Editoren T. Li, M. Mastro, und A. Dadgar (CRC Press, Boca Raton, FL, 2010) .] The aim is for a low resistance with vertical power line, a low band offset of the semiconductor with the best possible crystal quality which is in principle feasible with InGaN on silicon [ Joel W. Ager III, et al., Phys. Status Solidi C 6, S413 (2009) ]. Here, the direct growth of GaN layers on silicon and the problem of meltback etching is known and represents an unsolved problem. It is also known that to avoid the meltback etching AlN based seed layers are used, but which have a high bandgap energy and therefore for vertical Current flow are unsuitable [see, for. B. Chapter IV by A. Dadgar in III-V Compound Semiconductor: Integration with Silicon-based Microelectronics, editors T. Li, M. Mastro, and A. Dadgar (CRC Press, Boca Raton, FL, 2010) .]

Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Problem des auftretenden meltback etching, einer geringen Kristallqualität und den üblicherweise auch hohen vertikalen Widerstand bei konventionellen Keimschichten zu lösen.It is now the object of the present invention to solve the problem of occurring meltback etching, a low crystal quality and usually also high vertical resistance in conventional seed layers.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Gruppe-III-Nitrid basierte Schichtenfolge nach Anspruch 1, sowie ein Bauelement mit einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Schichtenfolge nach Anspruch 7 und ein Verfahren zur Herstellung einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Schichtenfolge nach Anspruch 8. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This object is achieved by a group III nitride-based layer sequence according to claim 1, as well as a device having a group III nitride-based layer sequence according to claim 7 and a method for producing a group III nitride-based layer sequence according to claim 8 Preferred embodiments of the invention can be found in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird eine Gruppe-III-Nitrid-basierte Schichtenfolge zur Verfügung gestellt, zumindest umfassend eine AlxGayIn1-x-yN-basierte Keimschicht (102) und eine AlxGayIn1-x-yN-Schicht (103) auf einem Gruppe-IV-Substrat (101), mit x < 0.2 und x + y ≤ 1, wobei die AlxGayIn1-x-yN-Keimschicht (102) auf dem Substrat (101) angeordnet ist und x > 0.2 gilt.According to the invention, a group III nitride-based layer sequence is provided, at least comprising an Al x Ga y In 1-xy N-based seed layer ( 102 ) and an Al x Ga y In 1-xy N layer ( 103 ) on a Group IV substrate ( 101 ), where x <0.2 and x + y ≦ 1, where the Al x Ga y In 1-xy N seed layer ( 102 ) on the substrate ( 101 ) and x> 0.2.

Der Vorteil einer solchen Schichtenanordnung besteht darin, dass gegenüber einer Schichtenfolge mit einer Keimschicht mit Al < 20% eine verbesserte Schichtqualität erzielt wird, insbesondere eine in der Literatur als meltback etching bezeichnete Reaktion von Gallium und Silizium unterdrückt wird und der elektrische Widerstand über die Grupp-III-Nitrid/Silizium Grenzfläche sehr gering ist. Dabei beziehen sich Prozentangaben der Gruppe-III-Elemente immer auf deren Anteil innerhalb der Gruppe-III-Elemente, d. h. die Summe der Gruppe-III-Elementkonzentration beträgt 100%.The advantage of such a layer arrangement is that, compared to a layer sequence with a seed layer with Al <20%, an improved layer quality is achieved, in particular a reaction of gallium and silicon referred to in the literature as meltback etching is suppressed and the electrical resistance is suppressed via the group III nitride / silicon interface is very low. In this case, percentages of the group III elements always refer to their proportion within the group III elements, d. H. the sum of the group III element concentration is 100%.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Anwendung in Solarzellen beschrieben werden, ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern prinzipiell für alle Anwendungen, bei denen ein vertikaler Stromfluss angestrebt wird, anwendbar.In the following, the invention will be described with reference to the application in solar cells, but is not limited thereto, but in principle for all applications in which a vertical current flow is sought applicable.

Dabei ist die Keimschicht die Gruppe-III-Nitridschicht, welche den Übergang vom Substrat mit entweder anderer Symmetrie, wie zum Beispiel im Fall von Zinkblendestrukturen mit zweizähliger (110), vierzähliger (001) oder dreizähliger (111) Symmetrie der Oberflächenatome [ A. Dadgar et al., New Journal of Physics 9, 389 (2007) und F. Reiher, et al., Journal of Crystal Growth 312, 180 (2010) ] oder bei hexagonalen Kristallen, wie sie z. B. vom SiC bekannt sind, mit abweichender Gitterkonstante zur Gruppe-III-Nitrid-Pufferschicht realisiert. Für einen hochwertigen Kristall sollte eine möglichst gleichmäßige Ausrichtung der aufwachsenden Schicht erfolgen. Da das Wachstum in der Regel von Inseln ausgeht, müssen daher diese Inseln möglichst gut zueinander orientiert sein, damit sie bei der Koaleszenz zu einer geschlossenen Schicht keine oder nur wenige neue Gitterfehler erzeugen.In this case, the seed layer is the group III nitride layer, which is the transition from the substrate with either other symmetry, such as in the case of zinc blende structures with bidentate (110), fourfold (001) or threefold (111) symmetry of the surface atoms [ A. Dadgar et al., New Journal of Physics 9, 389 (2007) and Reiher, et al., Journal of Crystal Growth 312, 180 (2010) ] or hexagonal crystals, such as. B. SiC are known, realized with different lattice constant to the group III nitride buffer layer. For a high-quality crystal, the most uniform possible orientation of the growing layer should be. Since the growth usually starts from islands, therefore, these islands must be oriented as well as possible to each other so that they produce no or only a few new lattice defects when coalescing to a closed layer.

Ideal ist dabei eine AlInN-Keimschicht, also eine galliumfreie Keimschicht, jedoch sind geringe Gallium-Beimengungen in der angegebenen Höhe von bis zu 20% des Gruppe-III-Anteils tolerabel, ohne eine nennenswerte Verschlechterung der Keimschicht zu erzielen und um weiterhin das unerwünschte meltback etching ausreichend zu unterdrücken.Ideal is an AlInN seed layer, so a gallium-free seed layer, but small gallium admixtures in the specified amount of up to 20% of the group III content are tolerable without a significant deterioration of the seed layer to achieve and further to the unwanted meltback sufficiently suppress etching.

Vorteilhaft kann eine Galliumbeimischung sein, um die Bandlückenenergie etwas zu senken und so einen besseren Stromfluss über die Gruppe-III-Nitrid-Substratgrenzfläche zu ermöglichen. Entscheidend ist, dass Aluminium in ausreichender Konzentration enthalten ist, um die oben beschriebenen Effekte zu minimieren. So sollte die Al-Konzentration mindestens bei 20%, ideal über 30% liegen. Der Rest der Verbindung ist vorteilhaft bestehend aus Indium, welches kein meltback etching verursacht. Mit diesem Al- und In-reichen AlGaInN Material wird ebenfalls ein sehr geringer Bandoffset an der Grenzfläche zum Substrat, insbesondere vom Silizium- oder Germaniumsubstrat zur Gruppe-III-Nitridschicht ohne meltback etching Effekte bei einer hohen Orientierung der Kristallite erzielt. Darauf folgt eine Schicht aus GaInN der gewünschten Konzentration.Advantageous may be a gallium addition to lower the bandgap energy somewhat and thus allow better flow of current across the group III nitride-substrate interface. It is crucial that aluminum is contained in sufficient concentration to minimize the effects described above. So the Al concentration should be at least 20%, ideally over 30%. The remainder of the compound is advantageously composed of indium, which does not cause meltback etching. With this Al and In-rich AlGaInN material is also a very low band offset at the interface with the substrate, in particular from the silicon or germanium substrate to the group III nitride layer without meltback etching effects achieved at a high orientation of the crystallites. This is followed by a layer of GaInN of the desired concentration.

Durch die zusätzliche AlInN-/GaInN-Grenzfläche wird bei geschickter Wahl der Komposition kein zusätzlicher Bandoffset eingeführt und somit ist die zusätzliche Schicht ohne nennenswerte negative Auswirkung auf die Leitfähigkeit der Gesamtstruktur. Durch die verbesserten kristallographischen Eigenschaften ist im Gegenteil diese sogar verbessert.The additional AlInN / GaInN interface does not introduce any additional band offset when the composition is skilfully selected, and thus the additional layer has no significant negative impact on the overall structure's conductivity. On the contrary, it is even improved by the improved crystallographic properties.

Es kann jedoch je nach Struktur auch erwünscht sein, einen geringen Bandoffset an der AlInN-/GaInN-Grenzfläche zu erzielen um so z. B. eine unerwünschte Minoritätsladungsträgerrkombination an der nahe am Substrat gelegenen defektreichen AlInN-Schicht zu verhindern. So ist bei Löchern als Minoritätsladungsträger eine kleine Barriere im Valenzband und analog bei Elektronen als Minoritätsladungsträger eine Barriere im Leitungsband insbesondere für photovoltaische Anwendungen vorteilhaft.However, depending on the structure, it may also be desirable to achieve a low band offset at the AlInN / GaInN interface, such as. B. to prevent unwanted minority carrier combination at the near the substrate located defect rich AlInN layer. Thus, for holes as a minority carrier, a small barrier in the valence band and, analogously for electrons as a minority carrier, a barrier in the conduction band, in particular for photovoltaic applications, is advantageous.

Durch eine Barriere können Minoritätsladungsträger quasi reflektiert werden und zur Raumladungszone diffundieren, anstatt im Bereich an oder nahe der Si-Grenzfläche zu rekombinieren, was den Wirkungsgrad erhöht. Dies kann ebenfalls durch eine durch eine Dotierung erzeugtes Gegenfeld und durch ein an der Heterogrenzfläche AlInN/GaInN entstehendes piezoelektrisches Feld realisiert werden.Minority carriers can be quasi-reflected by a barrier and diffused to the space charge zone instead of recombining in the region at or near the Si interface, which increases the efficiency. This can likewise be realized by an opposing field generated by a doping and by a piezoelectric field arising at the heterointerface AlInN / GaInN.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht eine Schichtenfolge vor, bei der eine AlGaInN-Keimschicht eine Bandlückenenergie aufweist, die unterhalb der darauffolgenden Schicht liegt.A further embodiment of the invention provides a layer sequence in which an AlGaInN seed layer has a bandgap energy which lies below the subsequent layer.

In der Regel ist im AlInN ein höherer In-Gehalt im Vergleich zum GaInN anzustreben, da das AlInN eine etwas höhere Bandlückenenergie besitzt.As a rule, the AlInN should aim for a higher In content compared to GaInN, since the AlInN has a slightly higher bandgap energy.

In photovoltaischen Zellen, in denen man anstrebt, Mehrfachzellen auf der Basis von Gruppe-III-Nitriden mit einer Siliziumbasiszelle zu vereinen, kann das eigentlich als Keimschicht dienende AlInN auch als photovoltaische Zelle dienen, muss dann aber entsprechend dick mit über hundert Nanometern Dicke hergestellt werden, um eine ausreichende Effizienz als Einzelzelle in einem Mehrfachzellensystem aufzuweisen.In photovoltaic cells, in which one seeks to unite multiple cells based on group III nitrides with a silicon-based cell, the actually serving as a seed layer AlInN can also serve as a photovoltaic cell, but then must be made correspondingly thick with over a hundred nanometers thick to have sufficient efficiency as a single cell in a multiple cell system.

Um einen möglichst geringen vertikalen elektrischen Widerstand zu erzielen, ist eine n-leitende Gruppe-III-Nitrid-Schichtenfolge, die auf einer p-leitenden Substratoberfläche angeordnet ist, vorteilhaft. Bei Mehrfachsolarzellen ist solch ein Übergang anstelle eines sonst üblichen Tunnelkontakts zwischen den Zellen notwendig und mit dieser Methode einfacher zu realisieren, als deltadotierte p- und n-leitende Schichten für einen Tunnelkontakt. Dies kann zum Beispiel während des Wachstums realisiert werden, indem durch das Einleiten eines oder mehrerer der Gruppe-III-Elemente vor dem Gruppe-V-Element beim Keimschichtwachstum diese Gruppe-III-Elemente eine p-Dotierung in der Oberflächenschicht des Substrats erzeugen. Zudem ist bei dieser Schichtfolge auch eine geringe Si-Eindiffusion in die Gruppe-III-Nitrid Keimschicht vorteilhaft, da diese die n-Typ Dotierung erhöht. In order to achieve the lowest possible vertical electrical resistance, an n-type group III nitride layer sequence arranged on a p-type substrate surface is advantageous. In the case of multiple solar cells, such a transition is necessary instead of an otherwise usual tunneling contact between the cells and is easier to realize with this method than delta-doped p- and n-conducting layers for a tunnel junction. This can be realized, for example, during growth, by introducing one or more of the group III elements in front of the group V element in seed layer growth, these group III elements produce a p-type doping in the surface layer of the substrate. In addition, a low Si diffusion into the group III nitride seed layer is also advantageous in this layer sequence, since this increases the n-type doping.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Schichtenfolge vorgesehen, die durch das Wachstum einer Keimschicht (102) im System AlxGayIn1-x-yN mit y < 0.2 gekennzeihnet ist.According to a further embodiment of the invention, a layer sequence is provided which is formed by the growth of a seed layer ( 102 ) in the system Al x Ga y In 1-xy N with y <0.2.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Schichtenfolge in einer Diode oder einer photovoltaischen Zelle verwendet wird.An embodiment of the invention provides that the layer sequence is used in a diode or a photovoltaic cell.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Bauelement mit einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Schichtenfolge, zumindest umfassend eine AlxGayIn1-x-yN-basierte Keimschicht (102) und eine AlxGayIn1-x-yN-Schicht (103) auf einem Gruppe-IV-Substrat (101), welches x < 0.2 enthält, wobei die AlxGayIn1-x-yN-Keimschicht (102) auf dem Substrat (101) angeordnet ist und mindesten x > 0.2 aufweist.In a further embodiment of the invention, a component having a group III nitride-based layer sequence, at least comprising an Al x Ga y In 1-xy N-based seed layer (US Pat. 102 ) and an Al x Ga y In 1-xy N layer ( 103 ) on a Group IV substrate ( 101 ), which contains x <0.2, where the Al x Ga y In 1-xy N seed layer ( 102 ) on the substrate ( 101 ) and has at least x> 0.2.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Schichtenfolge zur Verfügung gestellt, zumindest umfassend folgende Schritte:

  • – Bereitstellung eines Gruppe-IV-Substrats (101)
  • – Aufbringen einer AlxGayIn1-x-yN-basierten Keimschicht (102) mit x > 0.2 auf das Substrat (101),
  • – Aufbringen mindestens einer weiteren AlxGayIn1-x-yN Schicht (103) mit x < 0.2 auf der Keimschicht (102).
According to a further embodiment of the invention, a method for producing a group III nitride-based layer sequence is provided, comprising at least the following steps:
  • - providing a group IV substrate ( 101 )
  • Application of an Al x Ga y In 1-xy N-based seed layer ( 102 ) with x> 0.2 on the substrate ( 101 )
  • Applying at least one further Al x Ga y In 1-xy N layer ( 103 ) with x <0.2 on the seed layer ( 102 ).

Beispielhaft werden Ausführungsformen der Erfindung anhand der nachfolgenden Figuren dargestellt und näher beschrieben.Exemplary embodiments of the invention with reference to the following figures are shown and described in detail.

Als Anwendungsbeispiel soll die Verwendung der Schichtenfolge in einer Diode, insbesondere die Verwendung in einer photovoltaischen Zelle, beschrieben werden.As an application example, the use of the layer sequence in a diode, in particular the use in a photovoltaic cell, will be described.

Es zeigen:Show it:

1: eine schematische Darstellung eines Schichtenaufbaus einer Gruppe-III-Nitrid-basierte Schichtenfolge, 1 FIG. 2: a schematic representation of a layer structure of a group III nitride-based layer sequence, FIG.

2: den schematischen Verlauf der Bandlückenenergie zwischen Grupp-IV-Substrat und Keimschicht, 2 FIG. 2: the schematic course of the bandgap energy between group IV substrate and seed layer, FIG.

3: den schematischen Verlauf der Bandlückenenergie zwischen Gruppe-IV-Substrat und einer Keimschicht mit Kompositionsgradienten und 3 : the schematic course of the bandgap energy between group IV substrate and a seed layer with composition gradients and

4: Zeigt den Querschnitt des Schichtenaufbaus einer InGaN Schicht im Transmissionselektronenmikroskop. 4 : Shows the cross section of the layer structure of an InGaN layer in the transmission electron microscope.

Eine einfache Zelle ist in 1 gezeigt. Das Substrat 101 ist hier entweder nur ein idealerweise p-leitender Träger oder eine n/p-Siliziumzelle, ideal mit einer oberen zur Schicht 102 weisenden p-leitenden Siliziumschicht. Die Schicht 102 ist dann die erfindungsgemäße AlGaInN-Schicht. Die Schicht 101 kann aber auch Substratmaterialien oder dünne Schichten auf einem Trägersubstrat im System SiGeC umfassen. Speziell SiGe-Verbindungen sind bei einer Solarzelle interessant, um eine bessere Effizienz durch eine besser angepasste Bandlücke zu erzielen.A simple cell is in 1 shown. The substrate 101 is here either just an ideally p-type carrier or an n / p silicon cell, ideally with an upper to the layer 102 pointing p-type silicon layer. The layer 102 is then the AlGaInN layer according to the invention. The layer 101 but may also include substrate materials or thin layers on a carrier substrate in the SiGeC system. Specifically, SiGe compounds are of interest in a solar cell for better efficiency through a better matched bandgap.

Ideal ist eine Keimschicht im System AlxGayIn1-x-yN mit x > 20. Sie hat zudem idealerweise eine In-Konzentration zwischen 40–50% bzw. 0.4 < 1 – x – y < 0.5 und wenn ternär, also ohne Ga-Beimengung realisiert (y = 0), eine entsprechende Al-Konzentration von 60–50% (0.5 ≤ x ≤ 0.6), welche zu einem geringen Anteil Ga von bis zu 20% (y ≤ 0.2) enthalten kann.Ideal is a seed layer in the system Al x Ga y In 1-xy N with x> 20. It also ideally has an In concentration between 40-50% or 0.4 <1 - x - y <0.5 and if ternary, ie without Ga admixture realized (y = 0), a corresponding Al concentration of 60-50% (0.5 ≤ x ≤ 0.6), which may contain up to a small proportion Ga of up to 20% (y ≤ 0.2).

Hergestellt werden kann solche eine Schicht mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOCVD, MOVPE) oder anderen Halbleiterbeschichtungsverfahren wie Molekularstrahlepitaxie MBE, Hydrid-gasphasenepitaxie (HVPE) oder Sputterverfahren, wobei hier der Prozess anhand des derzeit für die Gruppe-III-Nitride gebräuchlichen MOVPE-Verfahren beschrieben wird. Dazu wird ein Idealerweise vorher deoxidiertes und wasserstoffterminiertes Siliziumsubstrat in den MOVPE-Reaktor gelegt und unter Wasserstoff oder Stickstoffträgergas auf ca. 670°C geheizt.Such a layer may be made by metalorganic vapor phase epitaxy (MOCVD, MOVPE) or other semiconductor deposition techniques such as molecular beam epitaxy MBE, hydride vapor phase epitaxy (HVPE) or sputtering, and here the process is described in terms of the MOVPE methods currently in use for the group III nitrides , For this purpose, an ideally previously deoxidized and hydrogen-terminated silicon substrate is placed in the MOVPE reactor and heated to about 670 ° C under hydrogen or nitrogen carrier gas.

Der Beschichtungsprozess erfolgt dann ideal bei einem Druck um 100 mbar, nachdem das Trägergas auf Stickstoff umgeschaltet wurde, beginnend mit dem Einleiten von trimethyl-aluminium (TMAI), optional auch trimethyl-indium (TMIn) und ggf. eines n-Typ Dotanden wie Silizium oder Germanium, z. B. mittels SiH4- oder GeH4-Zufuhr in den Reaktor für ca. 10 s, gefolgt von Ammoniak. Es wird dann für ca. 10 Minuten eine Schicht AlInN gewachsen, die ca. 10 nm dick ist. Der Dotand in der AlInN Schicht kann auch mit dem Ammoniak in den Reaktor geschaltet werden, dies ist mit identischem Ergebnis möglich.The coating process then takes place ideally at a pressure of about 100 mbar, after the carrier gas has been switched to nitrogen, starting with the introduction of trimethylaluminum (TMAI), optionally also trimethyl-indium (TMIn) and optionally an n-type dopant, such as silicon or germanium, e.g. B. by SiH 4 - or GeH 4 supply to the reactor for about 10 s, followed by ammonia. It is then grown for about 10 minutes a layer of AlInN, which is about 10 nm thick is. The dopant in the AlInN layer can also be connected to the ammonia in the reactor, this is possible with identical results.

Auch ist eine vorherige Beschichtung des Substrats mit Si oder Ge oder Kombinationen davon denkbar. So kann eine p-Schicht auch epitaktisch gewachsen werden oder durch das Wachstum einer Schicht aus Si, Ge oder SiGe die Oberflächen- und/oder Kontakteigenschaften verbessert werden.Also, a prior coating of the substrate with Si or Ge or combinations thereof is conceivable. Thus, a p-layer can also be grown epitaxially or the surface and / or contact properties can be improved by the growth of a layer of Si, Ge or SiGe.

Nach dem Wachstum der AlInN Schicht wird die Zufuhr von TMAl und TMIn beendet und trimethyl-gallium (TMGa) und TMIn mit einem Dotanden, in der Regel einem n-Dotanden in den Reaktor geleitet, um die Schicht 103 und nachfolgende Schichten zu wachsen. Es ist aber auch das Einleiten eines p-Dotanden möglich, um eine untere n-AlInN/p-GalnN-Zelle zu realisieren. In diesem Fall sollte die Schicht 102 mindestens 50 nm dick sein.After the growth of the AlInN layer, the supply of TMAl and TMIn is terminated and trimethyl gallium (TMGa) and TMIn are passed to the layer with a dopant, usually an n-dopant, in the reactor 103 and subsequent layers to grow. However, it is also possible to introduce a p-dopant in order to realize a lower n-AlInN / p-GalnN cell. In this case, the layer should 102 be at least 50 nm thick.

Zur Kompositionsanpassung kann im Zeitraum der Wachstumsunterbrechung die In-Zufuhr bestehen bleiben, um die meist vorhandene In-Anreicherungsschicht an der Oberfläche der Schicht zu erhalten und damit den In-Einbau konstant zu halten. In der Regel wächst bei diesem Vorgehen kein InN, da dieses einen zu hohen Dampfdruck hat, also instabil ist.To adjust the composition, the In supply can remain in the period of the growth interruption in order to obtain the most existing in-enrichment layer on the surface of the layer and thus to keep the incorporation constant. As a rule, no InN grows in this procedure because it has too high a vapor pressure, which means it is unstable.

Für die Realisierung einer Solarzelle auf n-Silizium wird in ein Beschichtungssystem, wie zum Beispiel eine Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder eine metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE, MOCVD), ein n-Typ Siliziumsubstrat eingelegt. Dieses wurde vorher idealerweise nasschemisch deoxidiert und mittels Flusssäureätzung wasserstoffterminiert; dies kann jedoch auch durch Ausheizen im Reaktor geschehen.For the realization of a solar cell on n-silicon, an n-type silicon substrate is inserted into a coating system, such as molecular beam epitaxy (MBE) or metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE, MOCVD). This was ideally first wet-chemically deoxidized and hydrogen terminated by hydrofluoric acid etching; However, this can also be done by heating in the reactor.

Das Substrat wird dann geheizt und das Wachstum der Keimschicht durch das Einleiten der Gruppe-III-Ausgangsstoffe begonnen. Dabei müssen diese nicht zwingend gleichzeitig eingeleitet werden, je nach Prozessführung kann man zum Beispiel Aluminium vorher einleiten, da dies gut ins Silizium diffundiert und dort eine in diesem Beispiel erwünschte p-leitende Oberflächenschicht erzeugt. Es kann jedoch auch die frühe Einleitung von Indium vorteilhaft sein um eine In-Anreicherung zu erzielen. Dies ist wichtig, um von vorneherein eine homogene AlInN-Konzentration der Keimschicht zu erzielen.The substrate is then heated and growth of the seed layer started by introducing the Group III precursors. These do not necessarily have to be initiated simultaneously, depending on the process control, for example, aluminum can be introduced beforehand since this diffuses well into the silicon and produces a p-type surface layer desired in this example. However, the early introduction of indium may also be beneficial to achieve in-enrichment. This is important in order to achieve a homogeneous AlInN concentration of the seed layer from the outset.

Daher kann ein Prozess entweder die gleichzeitige Einleitung der Elemente vorsehen, das nacheinander folgende Einschalten oder z. B. eine Al-Einleitung zur p-Schichterzeugung, gefolgt von einer alleinigen Einleitung von Indium zur Anreicherung, gefolgt vom Öffnen der Aluminiumquelle und allgemein des Stickstoff-Ausgangsstoffs. Die Keimschicht wird dann idealerweise 10 bis 20 nm dick gewachsen.Therefore, a process can provide either the simultaneous initiation of the elements, the successive switching on or z. For example, an Al initiation for p-layer formation followed by sole introduction of indium for enrichment, followed by opening of the aluminum source and generally the nitrogen feedstock. The seed layer is then grown ideally 10 to 20 nm thick.

Prinzipiell reicht auch eine 1 nm dicke AlInN-Schicht aus, vorteilhaft ist jedoch eine Schichtdicke über 5 nm. Idealist die Schicht geschlossen, so dass die darauffolgende GaInN Schicht keine Berührung zum Substrat haben kann, wie es bei Kraterbildung in der Keimschicht oder einem Inselwachstum der Fall sein könnte. Diese möglichst geschlossene Bedeckung des Substrats bedingt wesentlich die angestrebte Schichtdicke.In principle, a 1 nm thick AlInN layer is sufficient, but a layer thickness of more than 5 nm is advantageous. Ideally, the layer is closed, so that the subsequent GaInN layer can not come into contact with the substrate, as in crater formation in the seed layer or island growth of the Case could be. This covering of the substrate, which is as closed as possible, essentially requires the desired layer thickness.

Die Keimschicht ist ideal n-Typ dotiert, was mittels Silizium oder Germanium in der Regel sehr gut gelingt. Damit lässt sich ein in 2 schematisch gezeigter Verlauf der Bandlückenenergie E über der Koordinate x, die in diesem Fall vom Substrat zur Gruppe-III-Nitridschicht läuft, einer Schichtenfolge erzielen, der einen geringen Widerstand über die Gruppe-IV-/Gruppe-III-Nitridgrenzfläche sicherstellt. Hier bezeichnet EC, das Leitungsband, EF das Ferminiveau und EV das Valenzband im Gruppe-IV Substrat 201 und der darauffolgenden Keimschicht 202.The seed layer is ideally n-type doped, which is generally very well achieved by means of silicon or germanium. This can be a in 2 schematically shown course of the bandgap energy E over the coordinate x, which in this case from the substrate to the group III nitride layer runs to achieve a layer sequence, which ensures a low resistance across the group IV / group III nitride interface. Here E c , the conduction band, E F the Fermi level and E V the valence band in the group-IV substrate 201 and the subsequent germ layer 202 ,

Die darauffolgende GaInN-Schicht wird anschließend bei nahezu derselben Temperatur gewachsen. Hier besteht der Vorteil in der Vorgehensweise, dass AlInN einen höheren In-Einbau als GaInN vorzuweisen hat und durch den höheren In-Gehalt im AlInN im Vergleich zum GaInN die Bandlückenenergien vergleichbar sind.The subsequent GaInN layer is then grown at nearly the same temperature. Here, the advantage lies in the procedure that AlInN has a higher incorporation than GaInN and the higher In content in AlInN compared to GaInN, the bandgap energies are comparable.

Bei der Realisierung einer vertikalen Diode, z. B. für Leistungsbauelemente, wird in einer vorteilhaften Ausführung eine AlGaInN-Keimschicht 102 mit einer Bandlückenenergie unterhalb der der darauffolgenden Schicht 103 verwendet. Dies ermöglicht, dass keine zusätzlichen, den Ladungsträgertransport störenden Energiebarrieren, in der Pufferstruktur vorhanden sind.In the realization of a vertical diode, z. B. for power devices, in an advantageous embodiment, an AlGaInN seed layer 102 with a bandgap energy below that of the next layer 103 used. This allows no additional energy barriers interfering with the charge carrier transport to be present in the buffer structure.

Sinnvoll ist dabei auch ein gradierter Übergang von AlInN zu GaInN, der einen allmählichen Wechsel der Leitungs- und Valenzbandenergien ermöglicht und somit den seriellen Widerstand minimiert. Dies ist schematisch im Beispiel in 3 gezeigt auch hier ist die Bandlückenenergie E über der Koordinate x aufgetragen, die in diesem Fall vom Substrat zur Gruppe-III-Nitridschicht läuft. Ausgehend vom Siliziumsubstrat 301 wird eine AlInN-Schicht 302 gewachsen, welche dann über AlGaInN 303 zu GaInN 304 gradiert wird. Dabei sinkt der In-Gehalt und die Bandlückenenergie nimmt insgesamt zu.Also useful is a graded transition from AlInN to GaInN, which allows a gradual change in conduction and valence band energies, thus minimizing the series resistance. This is schematically in the example in 3 also shown here, the bandgap energy E is plotted against the coordinate x, which in this case runs from the substrate to the group III nitride layer. Starting from the silicon substrate 301 becomes an AlInN layer 302 grown, which then via AlGaInN 303 to GaInN 304 is graded. The In content decreases and the band gap energy increases overall.

Eine Verstärkung des Gradienten lässt sich auch erreichen, indem die Temperatur beim Wachstum leicht erhöht oder die In-Zufuhr reduziert wird.Enhancement of the gradient can also be achieved by slightly increasing the temperature during growth or reducing the in-feed.

Ein zunehmender Ga-Gehalt bietet die Möglichkeit, eine zunehmende Gitterkonstante des Materials zu realisieren und damit auch vorteilhaft eine leicht kompressive Vorspannung zu erzeugen, welche einer Rissbildung beim Wachstum dicker Schichten entgegenwirkt. Nach diesem Puffer folgt das Material der Wahl für das Bauelement: so ist ein Gradient bis zum GaN unter Umständen sinnvoll, um mit einer hochwertigen GaN n/p-Diode einen vertikal kontaktierten Hochspannungsschalter zu realisieren, aber auch ein auf GaInN basierender Hochstromschalter ist mit dieser Konfiguration realisierbar. An increasing Ga content offers the possibility of realizing an increasing lattice constant of the material and thus also advantageously producing a slightly compressive bias, which counteracts the formation of cracks during the growth of thick layers. After this buffer, the material of choice for the device follows: thus, a gradient up to GaN may be useful for realizing a vertically contacted high voltage switch with a high quality GaN n / p diode, but also a GaInN based high current switch is included Configuration feasible.

4 zeigt den Querschnitt des Schichtenaufbaus einer direkt auf Silizium 401 gewachsenen InGaN Schicht 402 im Transmissionselektronenmikroskop. Deutlich sind hier die Löcher 403 im Bereich des Siliziumsubstrats zu erkennen, die durch das meltback etching ausgelöst werden. Die Anzahl dieser Löcher lässt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren deutlich reduzieren, bzw. eliminieren was zu einer verbesserten Schichtqualität führt. 4 shows the cross section of the layer structure of a directly on silicon 401 grown InGaN layer 402 in the transmission electron microscope. Clearly, the holes are here 403 in the region of the silicon substrate, which are triggered by the meltback etching. The number of these holes can be significantly reduced or eliminated by the method according to the invention, which leads to an improved layer quality.

Erfindungsgemäße Bauelemente können auch andere als die hier aufgeführten Beispiele sein und mit allen Verfahren zur Halbleiterabscheidung hergestellt werden. So ist insbesondere auch ein n-Si bzw. n-Ge-/AlGaInN-Übergang für einige Bauelemente sinnvoll bzw. kann bei geeigneter Bandlückenenergie des Gruppe-III-Nitrids auch zu niedrigen Serienwiderständen führen. Dabei wird bei der Herstellung der Schichten grundsätzlich kein epitaktisches Wachstum vorausgesetzt, auch wenn dies in der Regel vorteilhaft für die Bauelementeigenschaften ist.Components according to the invention can also be other than the examples listed here and can be produced with all methods for semiconductor deposition. Thus, in particular, an n-Si or n-Ge / AlGaInN transition makes sense for some components or can also lead to low series resistances given suitable bandgap energy of the group III nitride. In principle, no epitaxial growth is assumed in the production of the layers, even if this is generally advantageous for the device properties.

Darüber hinaus können die Schichten auch geringe Konzentrationen an anderen Gruppe-V-Elementen enthalten. So ist z. B. das Wachstum von AlInN, ausgehend von einer AlInAs-Schicht, die zu AlInN durch Nitridierung umgewandelt wird, auch ein sinnvoller Weg, die erfindungsgemäßen Bauelemente zu erhalten.In addition, the layers may also contain low concentrations of other group V elements. So z. For example, the growth of AlInN starting from an AlInAs layer that is converted to AlInN by nitridation is also a useful way to obtain the devices of this invention.

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Claims (8)

Gruppe-III-Nitrid-basierte Schichtenfolge (100), zumindest umfassend eine AlxGayIn1-x-yN-basierte Keimschicht (102) und eine AlxGayIn1-x-yN-Schicht (103) auf einem Gruppe-IV-Substrat (101) mit x < 0.2 und x + y ≤ 1, wobei die AlxGayIn1-x-yN-Keimschicht (102) auf dem Substrat (101) angeordnet ist und x > 0.2 gilt.Group III nitride-based layer sequence ( 100 ), at least comprising an Al x Ga y In 1-xy N-based seed layer ( 102 ) and an Al x Ga y In 1-xy N layer ( 103 ) on a Group IV substrate ( 101 ) with x <0.2 and x + y ≦ 1, where the Al x Ga y In 1-xy N seed layer ( 102 ) on the substrate ( 101 ) and x> 0.2. Schichtenfolge nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Gruppe-III-Nitrid-Schichtenfolge, die auf einer p-leitenden Substratoberfläche angeordnet ist.Layer sequence according to claim 1, characterized by a group III nitride layer sequence, which is arranged on a p-type substrate surface. Schichtenfolge nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine AlGaInN-Keimschicht (102) mit einer Bandlückenenergie, die unterhalb der darauffolgenden Schicht (103) liegt.Layer sequence according to Claim 1 or 2, characterized by an AlGaInN seed layer ( 102 ) with a bandgap energy below the next layer ( 103 ) lies. Schichtenfolge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Wachstum einer Keimschicht (102) im System AlxGayIn1-x-yN mit y < 0.2.Layer sequence according to one of the preceding claims, characterized by the growth of a seed layer ( 102 ) in the system Al x Ga y In 1-xy N with y <0.2. Schichtenfolge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung dieser in einer Diode.Layer sequence according to one of the preceding claims, characterized by the use of these in a diode. Schichtenfolge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung dieser in einer photovoltaischen Zelle.Layer sequence according to one of the preceding claims, characterized by the use of these in a photovoltaic cell. Bauelement mit einer Gruppe-III-Nitrid-basierte Schichtenfolge (100), zumindest umfassend eine AlXGayIn1-x-yN-basierte Keimschicht (102) und eine AlxGayIn1-x-yN-Schicht (103) auf einem Gruppe-IV-Substrat (101), welches x < 0.2 enthält, wobei die AlxGayIn1-x-yN-Keimschicht (102) auf dem Substrat (101) angeordnet ist und mindesten x > 0.2 aufweist.Component with a Group III Nitride-Based Layer Sequence ( 100 ), at least comprising an Al x Ga y In 1-xy N-based seed layer ( 102 ) and an Al x Ga y In 1-xy N layer ( 103 ) on a Group IV substrate ( 101 ), which contains x <0.2, where the Al x Ga y In 1-xy N seed layer ( 102 ) on the substrate ( 101 ) and has at least x> 0.2. Verfahren zur Herstellung einer Gruppe-III-Nitrid-basierten Schichtenfolge (100), zumindest umfassend folgende Schritte: – Bereitstellung eines Gruppe-IV-Substrats (101) – Herstellen einer oxidfreien Gruppe-IV-Substratoberfläche – Aufbringen einer AlxGayIn1-x-yN -basierten Keimschicht (102) mit x > 0.2 auf das Substrat (101) und – Aufbringen mindestens einer weiteren AlxGayIn1-x-yN Schicht (103) mit x < 0.2 auf der Keimschicht (102).Process for producing a group III nitride-based layer sequence ( 100 ), comprising at least the following steps: - providing a group IV substrate ( 101 ) - Producing an oxide-free group IV substrate surface - Application of an Al x Ga y In 1-xy N-based seed layer ( 102 ) with x> 0.2 on the substrate ( 101 ) and - applying at least one further Al x Ga y In 1-xy N layer ( 103 ) with x <0.2 on the seed layer ( 102 ).
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