DE102012006613A1 - Verfahren und systeme für epitaktische verfahren an fehlgeschnittenen grundsubstraten - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Bereitstellen von dünnen (Al, Ga, In)N-Schichten auf Ga-face-c-Ebenen-(Al, Ga, In)N-Substraten unter Verwendung von c-Ebenen-Oberflächen mit einem Fehlschnitt von mehr als zumindest 0,35 Grad zur m-Richtung. Auf den glatten, dünnen (Al, Ga, In)N-Schichten werden lichtemittierende Bauelemente ausgebildet. Auf den glatten Oberflächen hergestellte Bauelemente zeigen eine verbesserte Qualität.

Description

  • Diese Anmeldung nimmt die Rechte aus der am 1. April 2011 eingereichten U.S. Provisional-Anmeldung Nr. 61/470,901 in Anspruch, die hiermit in ihrer Gesamtheit durch Inbezugnahme aufgenommen wird.
  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf die Herstellung optischer Bauelemente. Im Besonderen gibt die Offenbarung Verfahren und Bauelemente an, die einen fehlgeschnittenen (Al, Ga, In)N-Grundkristall verwenden. Bestimmte von der Offenbarung angegebene Ausführungsformen umfassen Verfahren zur Herstellung lichtemittierender Bauelemente unter Verwendung fehlgeschnittener, galliumnitridhaltiger Materialien. Solche Bauelemente können bei Einsatzgebieten wie beispielsweise optoelektronischen Bauelementen verwendet werden. Bei bestimmten Ausführungsformen gibt die Offenbarung Herstellungsverfahren unter Verwendung eines Kristalls an, der epitaktisches Gallium enthält und über einen großen Oberflächenbereich des Substrats eine extrem glatte Oberflächenmorphologie und gleichförmige Wellenlänge aufweist. Solche Kristalle und Materialien umfassen GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, und AlInGaN zur Herstellung von Grund- bzw. strukturierten Substraten.
  • Im ausgehenden 19. Jahrhundert erfand Thomas Edison die Glühbirne. Die üblicherweise ”Edison Glühlampe” genannte herkömmliche Glühbirne wurde über mehr als einhundert Jahre verwendet. Die herkömmliche Glühbirne verwendet einen Wolframfaden, der in einem am Sockel gedichteten Glaskolben eingeschlossen ist, wobei der Sockel in eine Fassung geschraubt wird. Die Fassung wird mit einer Wechselstrom- oder Gleichstromquelle verbunden. Die herkömmliche Glühbirne ist gewöhnlich in Häusern, Gebäuden und Außenbereichen aufzufinden. Bedauerlicherweise führt die herkömmliche Glühbirne mehr als 90% der verbrauchten Energie als Wärmeenergie ab. Außerdem fällt die Glühbirne schließlich aufgrund des Abdampfens des Wolframfadens aus.
  • Leuchtstofflampen verwenden eine optisch klare Röhre, die mit einem Edelgas gefüllt ist, und üblicherweise auch Quecksilber enthält. Ein Elektrodenpaar ist über ein Vorschaltgerät mit einer Wechselspannungsquelle verbunden. Sobald das Quecksilber angeregt wurde, entlädt es sich unter Emission von UV-Licht. Üblicherweise ist die Röhre mit Leuchtstoffen beschichtet, die durch das UV-Licht zur Bildung weißen Lichts angeregt werden. In letzter Zeit erfolgte eine Anpassung der Leuchtstofflampen an eine zum Einsetzen in eine Standardfassung geeignete Sockelstruktur.
  • Festkörperleuchten beruhen auf Halbleitermaterialien zur Herstellung lichtemittierender Dioden, die gewöhnlich LEDs genannt werden. Als Erstes wurden rote LEDs vorgestellt und in den Handel eingeführt. Moderne rote LEDs verwenden Aluminiumindiumgalliumphosphid bzw. AlInGaP-Halbleitermaterialien. Unlängst hat Shuji Nakamura dem Einsatz von InGaN-Materialien zur Herstellung von LEDs den Weg bereitet, die bei blauen LEDs Licht im blauen Bereich emittieren. Blaue LEDs führten zu Innovationen in der Beleuchtungstechnik und die blaue Laserdiode machte DVD-Player und andere Entwicklungen möglich. Bei weißen LEDs werden im Blauen, Violetten oder Ultravioletten emittierende Bauelemente auf Basis von InGaN in Kombination mit Leuchtstoffen verwendet.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG
  • Diese Offenbarung bezieht sich ganz allgemein auf die Herstellung von Materialien und von Bauelementen. Im Besonderen gibt die Offenbarung Verfahren und Bauelemente unter Verwendung eines fehlgeschnittenen (AL, Ga, In)N-Grundkristalls an. Bestimmte von der Offenbarung angegebene Ausführungsformen umfassen Herstellungsverfahren für lichtemittierende Bauelemente und/oder elektronische Bauelemente unter Verwendung fehlgeschnittener galliumnitridhaltiger Materialien. Von der vorliegenden Offenbarung angegebene Bauelemente können bei Einsatzgebieten wie beispielsweise optoelektronischen Bauelementen verwendet werden. Bei bestimmten Ausführungsformen gibt die Offenbarung Herstellungsverfahren an, bei denen ein Kristall verwendet wird, der epitakisches Gallium hoher Qualität und über einen großen Oberflächenbereich des Substrats eine extrem glatte Oberflächenmorphologie und gleichförmige Wellenlänge aufweist. Solche Kristalle und Materialien umfassen GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN und AlInGaN zur Herstellung von Grund- bzw. strukturierten Substraten.
  • Bestimmte der von der vorliegenden Offenbarung angebebenen Ausführungsformen umfassen Verfahren zur Verarbeitung und Verwendung von Grundsubstraten. Bestimmte Verfahren umfassen ein Herstellen von zumindest einer dünnen (Al, Ga, In)N-Schicht direkt auf einem (Al, Ga, In)N-Substrat bzw. einer -Matrize. Das Substrat bzw. die Matrize weisen eine Oberfläche auf, die durch einen Fehlschnittwinkel von zumindest 0,35 Grad zur m-Richtung hin gekennzeichnet ist, wobei sich die Projektion der Oberflächennormale mit der m-Achse deckt. Das Substrat bzw. die Matrize können durch Schneiden eines c-Ebenen Wafers unter einem vorgegebenen Fehlschnittwinkel von zumindest 0,35 Grad relativ zur c-Ebene, entweder hin zur m-Richtung oder von dieser weg, erhalten werden.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen gibt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung optischer Bauelemente aus einem Grundsubstratmaterial, wie beispielsweise einem gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstratmaterial, wie zum Beispiel GaN, an. Verfahren umfassen ein Bereitstellen eines gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstratmaterials mit einer oberen Oberfläche. Zumindest ein Oberflächenbereich an der oberen Oberfläche des gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats weist einen Fehlschnittwinkel von zumindest 0,35 Grad zur m-Richtung hin auf. Verfahren umfassen auch, dass der Oberflächenbereich einem Behandlungsverfahren unterzogen wird, um ein oder mehrere Gebiete zu entfernen, bei denen innerhalb des Oberflächenbereichs Oberflächendefekte oder oberflächennahe Defekte vorliegen. Ein mögliches Behandlungsverfahren ist ein thermisches Verfahren unter Verwendung einer wasserstoff- und stickstoffhaltigen Spezies. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Verfahren ein Ausbilden eines n-leitenden Gallium- und Stickstoffmaterials (bzw. undotierten Materials), das auf dem Oberflächengebiet aufliegt und eine von einem Stapel dünner Schichtlagen gebildete aktive Zone ausbildet. Jede dieser dünnen Schichtlagen kann eine Indiumspezies, eine Aluminiumspezies und eine gallium- und stickstoffhaltige Spezies aufweisen, die auf dem n-leitenden, gallium- und stickstoffhaltigen Material aufliegt. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Verfahren ein Ausbilden eines auf der aktiven Zone aufliegenden, aluminium-, gallium- und stickstoffhaltigen, elektronensperrenden Materials, sowie ein Ausbilden eines auf dem elektronensperrenden Material aufliegenden p-leitenden, gallium- und stickstoffhaltigen Materials, um die Bildung eines gefertigten gallium- und stickstoffhaltigen Substrats zu bewirken. Bei bestimmten Ausführungsformen ist das gefertigte gallium- und stickstoffhaltige Grundsubstrat durch eine Standardabweichung der Wellenlänge der Photolumineszenz (PL) von 0,2% und weniger gekennzeichnet, wobei jede der Dünnschichtlagen einen Oberflächenbereich aufweist, der durch einen Effektivwert (RMS) der Oberflächenrauheit von 0,3 nm und weniger über ein Gebiet von zumindest 2.500 μm2 gekennzeichnet ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen sind eine wasserstoffhaltige Spezies und eine stickstoffhaltige Spezies aus einem Wasserstoffgas bzw. Ammoniakgas abgeleitet. Bei bestimmten Ausführungsformen ist ein n-leitendes, gallium- und stickstoffhaltiges Material ein n-leitendes GaN. Bei bestimmten Ausführungsformen ist ein p-leitendes, gallium- und stickstoffhaltiges Material ein p-leitendes GaN. Bei bestimmten Ausführungsformen ist ein elektronensperrendes Material AlGaN. Bei bestimmten Ausführungsformen bildet AlInGaN jede der Dünnschichtlagen, die die aktive Zone ausbilden. Bei bestimmten Ausführungsformen weist die aktive Schicht mehrere Quantentöpfe auf, die, zum Beispiel, drei bis zwanzig Quantentöpfe umfassen. Bei bestimmten Ausführungsformen kann jeder der Quantentöpfe mittels einer Sperrzone separiert sein. Bei bestimmten Ausführungsformen weist eine Sperrzone GaN auf.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen gibt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung eines Bauelements an. Ein Verfahren umfasst zum Beispiel das Bereitstellen eines gallium- und stickstoffhaltigen Substrats, das einen Oberflächenbereich mit einem c-Ebenen-Oberflächenbereich aufweist, der durch einen Fehlschnittwinkel von zumindest 0,35 Grad von der c-Ebene zur m-Richtung gekennzeichnet ist. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Verfahren ein Ausbilden einer dünnen, gallium- und stickstoffhaltigen Schicht, die eine aluminiumhaltige Spezies und eine indiumhaltige Spezies auf dem gallium- und stickstoffhaltigen Substrat aufweist. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das Verfahren ein Ausbilden eines auf der dünnen Schicht aufliegenden elektrischen Kontaktbereichs.
  • Die Offenbarung gibt Wege zum Identifizieren und Auswählen von Abschnitten und/oder Bereichen eines Substrats an, die sich zur Herstellung von LED-Dioden oder anderen Bauelementen eignen. Solche Gebiete sind durch einen Fehlschnittwinkel von zumindest 0,35 Grad zur m-Richtung auf einem gallium- und stickstoffhaltigen Substrat gekennzeichnet. Überraschenderweise verbessert die Verwendung eines Fehlschnittwinkels von zumindest 0,35 Grad zur m-Richtung die Beschaffenheit und Ausbeute der gefertigten Bauelemente. Bei Vorliegen eines Fehlschnittwinkels von zumindest 0,35 Grad zur m-Richtung bzw. bei bestimmten Ausführungsformen von mehr als 0,4 Grad zur m-Richtung und/oder der a-Richtung wird die Oberflächenmorphologie eines Substrats im Gegensatz zu kleineren Fehlschnittwinkeln in einer Weise verbessert, die für die Herstellung von LED-Bauelementen insoweit vorteilhaft ist, dass die Produktionsausbeute der Bauelemente erhöht und deren Qualität verbessert wird. Ein Fehlschnittwinkel von zumindest 0,35 Grad zur m-Richtung resultiert in einer glatten Substratoberfläche, verbesserten Bauelementequalität und Zuverlässigkeit. Einer der Gründe für die verbesserte Qualität besteht darin, dass eine glatte Substratoberfläche zu einer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit und einem geringen Serienwiderstand führt. Außerdem reduziert eine glatte Substratoberfläche die optische Streuung bei an dem Substrat ausgebildeten optischen Bauelementen. Insgesamt wird durch die Verwendung eines Fehlschnitts von zumindest 0,35 Grad von der c-Ebene zur m-Richtung eine verbesserte PL-Effizienz erreicht.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1A zeigt eine Fehlschnittkarte eines entlang der m-Richtung geschnittenen Substrats (Substrat A). Die Werte stellen Winkel zur c-Ebene dar.
  • 1B zeigt eine Fehlschnittkarte eines entlang der a-Richtung geschnittenen Substrats. Die Werte stellen Winkel zur c-Ebene dar.
  • 2 zeigt Photolumineszenz(PL)-Karten für eine auf dem Substrat von 1A und 1B aufgewachsene InGaN/GaN-Heterostruktur.
  • 3 zeigt Differentialinterferenzkontrastbilder der auf Substrat A aufgewachsenen Oberflächenmorphologie. Die Differentialinterferenzkontrastbilder beziehen sich auf die an der linken Seite von 3 veranschaulichten relativen Positionen auf dem Substrat A.
  • 4 zeigt mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) aufgenommene Amplitudenbilder von fünf 2 × 2 μm2 großen Gebieten auf dem Substrat A. Die effektiven Durchschnittswerte (RMS) der Amplituden (nm) sind für bestimmte Gebiete angegeben.
  • 5 zeigt mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) aufgenommene Amplitudenbilder von fünf 50 × 50 μm2 großen Gebieten auf dem Substrat A. Der effektive Durchschnittswert (RMS) der Amplituden (nm) ist für bestimmte Gebiete angegeben.
  • 6A zeigt die kristallographischen Ebenen für einen zur m-Richtung (m-Achse) fehlgeschnittenen c-Ebenen-Wafer.
  • 6B zeigt die kristallographischen Ebenen für einen zur a-Richtung (a-Achse) fehlgeschnittenen c-Ebenen-Wafer.
  • 6C zeigt die kristallographischen Ebenen für einen zur m-Richtung (m-Achse) und zur a-Richtung (a-Achse) fehlgeschnittenen c-Ebenen-Wafer.
  • 6D zeigt eine Querschnittsansicht eines Wafers, bei der die relative Orientierung der Gitterebenen in Bezug auf die Waferoberfläche für einen fehlgeschnittenen Wafer veranschaulicht ist.
  • 7 zeigt Differentialinterferenzkontrastbilder der Oberflächenmorphologie eines unter Winkeln von 0,14°, 0,23°, 0,31°, 0,36°, 0,41° und 0,45° zur m-Richtung hin fehlgeschnittenen c-Ebenen-Wafers.
  • 8 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen einem Fehlschnittwinkel in der m-Richtung und der a-Richtung und dem Effektivwert der Oberflächenrauheit zeigt.
  • 9 zeigt Schritte zum Aufbauen eines optischen Bauelements gemäß bestimmten von der vorliegenden Offenbarung angegebenen Ausführungsformen.
  • 10 zeigt Schritte zum Aufbauen einer gleichrichtenden p-n-Übergangs-Diode gemäß bestimmten von der vorliegenden Offenbarung angegebenen Ausführungsformen.
  • 11 zeigt Schritte zum Aufbau eines Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit bzw. eines Metallhalbleiterfeldeffekttransistors gemäß bestimmten von der vorliegenden Offenbarung angegebenen Ausführungsformen.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es wird nun auf bestimmte Ausführungsformen von Polymeren, Zusammensetzungen und Verfahren Bezug genommen. Die offenbarten Ausführungsformen bezwecken keine Beschränkung der Ansprüche. Vielmehr sollen die Ansprüche alle Alternativen, Abwandlungen und Äquivalente abdecken.
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ganz allgemein auf die Herstellung von Materialien und Bauelementen. Insbesondere gibt die vorliegende Offenbarung Verfahren und Bauelemente unter Verwendung eines fehlgeschnittenen (AlGaIn)N-Grundkristalls an. Bestimmte von der vorliegenden Offenbarung angegebene Ausführungsformen umfassen Verfahren zur Herstellung lichtemittierender Bauelemente unter Verwendung fehlgeschnittener, galliumnitridhaltiger Materialien. Von der vorliegenden Offenbarung angegebene Bauelemente können bei Einsatzgebieten wie beispielsweise optoelektronischen Bauelementen verwendet werden. Bei bestimmten Ausführungsformen gibt die vorliegende Offenbarung Herstellungsverfahren an, die einen epitaktisches Gallium aufweisenden Kristall verwenden, der entlang eines großen Bereichs des Substrats eine glatte Oberflächenmorphologie und gleichförmige Wellenlänge aufweist. Solche Kristalle und Materialien umfassen GaN, AlN, InN, InGaN, AlGaN, und AlInGaN, und können zur Herstellung von Grund- oder strukturierten Substraten verwendet werden. So wie hier verwendet umfasst der Begriff Substrat auch Matrizen.
  • Zur Hintergrundinformation: Herkömmliche im ultravioletten oder sichtbaren Bereich emittierende Leuchtdioden (LED) auf Basis von GaN basieren üblicherweise auf einem heteroepitaktischen Aufwachsen, wobei das Aufwachsen auf einem von GaN verschiedenen Substrat, wie beispielsweise Saphir, Siliciumcarbid oder Silicium, initiiert wird. Dies beruht auf der geringen Verfügbarkeit und hohen Kosten für freistehende GaN-Substrate, wodurch ihre Brauchbarkeit für die Verwendung bei der Herstellung von LEDs behindert wurde. In den vergangenen Jahren hat die Technologie auf dem Gebiet für massives GaN jedoch rasant zugelegt, wodurch sie in Bezug auf einen Einsatz bei der LED-Herstellung in großem Maßstab vielversprechend ist. Ein solcher Technologiewandel wird die Qualität und Herstellung von LEDs begünstigen.
  • Während der vergangenen eineinhalb Dekaden wurden Fortschritte bei der Qualität von auf galliumnitrid-(GaN)-basierenden Leuchtdioden erzielt. Bauelemente mit einer Lichtausbeute von mehr als 100 Lumen pro Watt wurden in den Laboratorien vorgestellt, und kommerzielle Bauelemente weisen einen Wirkungsgrad auf, die denen von Glühlampen bereits deutlich überlegen ist und in Konkurrenz zu Leuchtstofflampen tritt. Weitere Verbesserungen des Wirkungsgrads können die Betriebskosten und den Verbrauch elektrischer Energie senken und die Emission von Kohlendioxid und anderen Treibhausgasen verringern, die bei der Erzeugung der für die Beleuchtungsanwendungen verwendeten Energie produziert werden.
  • Eine glatte Morphologie ist für ein hochqualitatives Kristallwachstum von großer Bedeutung. Auf Saphir, SiC oder anderen artfremden Substraten aufgewachsene GaN-Schichten mit hohen Versetzungsdichten weisen Morphologien und Wachstumsbedingungen auf, die durch die Mikrostruktur der Schicht bestimmt sind. Andererseits wird die Defektstruktur der Schicht beim Aufwachsen von GaN auf arteigenen Massivsubstraten nicht mehr in dem Maße vermittelt. Es ist daher zu erwarten, dass die optimalen Aufwachsbedingungen und Oberflächen sich von einem Aufwachsen auf einem Material mit Versetzungen unterscheiden. Bedauerlicherweise ist das Erzielen glatter Morphologien bei den zur Herstellung von LEDs verwendeten Kristallen schwierig, und insbesondere dann, wenn GaN-Material auf arteigenen Massivsubstraten aufwächst. Die Oberfläche eines zur Herstellung von LED-Bauelementen verwendeten GaN-Materials ist oft uneben und weist üblicherweise Fehlschnitte auf, die im allgemeinen als unerwünscht für LED-Bauelemente angesehen werden. Die vorliegende Offenbarung zieht wie nachfolgend beschrieben einen Nutzen aus den Fehlschnitten und Oberflächenunebenheiten des GaN-Substrats. So wie hier verwendet bezieht sich ”Fehlschnitt” auf einen Oberflächenwinkel, der von der ”a-Ebene”, der ”m-Ebene” oder anderen kristallographischen Ebenen wegführt. ”Fehlschnitt” bezieht sich auch auf den Winkel zwischen einer Waferoberfläche und der nächstbenachtbarten kristallographischen Hauptebene mit hoher Symmetrie/niedrigem Index, zum Beispiel die c-Ebene, m-Ebene oder a-Ebene.
  • Bestimmte von der Offenbarung angegebene Ausführungsformen geben Verfahren zum Verbessern der Oberflächenmorphologie von dünnen auf massiven (Al, Ga, In)N-Substraten aufgewachsenen (Al, Ga, In)N-Schichten an. Von der vorliegenden Offenbarung angegebene Verfahren resultieren bei Schichtstrukturen, die (Al, Ga, In)N-Grundschichten oder Heterostrukturen enthalten, ferner in einer gleichförmigen Emissionswellenlänge. Die erhaltenen glatten, dünnen (Al, Ga, In)N-Schichten können als Matrize für das Aufwachsen von hochqualitativen lichtemittierenden und elektronischen Bauelementen dienen. Herkömmliche Gasphasenepitaxieverfahren wie beispielsweise die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD), Molekularstrahlepitaxie (MBE) und Hydridgasphasenepitaxie (HVPE) können für das Aufwachsen der dünnen (Al, Ga, In)N-Schichten verwendet werden. Bestimmte von der vorliegenden Offenbarung angegebene Ausführungsformen lassen sich jedoch gleichfalls auf dünne (Ga, Al, In, B)N-Schichten anwenden, die mittels anderer geeigneter Gasphasenabscheideverfahren abgeschieden werden.
  • Es werden hier Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenmorphologie von dünnen auf Massivsubstraten aufgewachsenen (Al, Ga, In)N-Schichten mittels bewusster Anwendung von Fehlschnitten offenbart. Eine verbesserte Oberflächenmorphologie kann bei Nitridbauelementen zu einer Reihe von Vorteilen führen, die eine Verbesserung in der Gleichförmigkeit der Dicke, der Zusammensetzung, der Dotierung, den elektrischen Eigenschaften und/oder den Lumineszenzeigenschaften der einzelnen Schichten eines bestimmten Bauelements einschließen. Außerdem führen die resultierenden glatten Oberflächen zu signifikanten Verringerungen optischer Streuverluste, was für die Qualität von zum Beispiel Laserdioden von Vorteil ist.
  • Bei einer Epitaxie auf einer fehlgeschnittenen Oberfläche wird üblicherweise am Ende einer Terrasse aus einem Satz von Terrassen eine bestimmte Ebene freigelegt. Die Fehlschnittrichtung bestimmt die Ebene, die freigelegt wird, und kann bei einem Aufwachsen auf [0001] oder [000-1] GaN-Oberflächen eine Überlagerung der [1-100] und der [11-20] Richtung aufweisen. Der von der Normalen wegweisende Winkel bestimmt die Stufendichte. Ein Fehlschnitt in Richtung [1-100] legt zum Beispiel einen Satz m-Ebenen frei. Eine glatte Oberflächenmorphologie kann durch Aufwachsen von GaN auf arteigenen GaN-Grundsubstraten erreicht werden, die einen Fehlschnitt in Richtung der [1-100]-Ebene (m-Richtung) von wenigstens 0,35 Grad aufweisen. Bei Ausführungsformen, bei denen sich ein Fehlschnitt über das Substrat oder dem Wafer verändert, sollte die minimale Schnittabweichung in Richtung der [1-100]-Richtung zumindest 0,35 Grad betragen. Der Substratfehlschnitt in [11-20]-Richtung kann in einem größeren Umfang variieren, zum Beispiel von –1 Grad bis 1 Grad, bei bestimmten Ausführungsformen von –1 Grad bis 1,5 Grad, oder bei bestimmten Ausführungsformen von größer als –1,5 Grad bis 1,5 Grad. Das Aufwachsen auf größeren Fehlschnittwinkeln kann zu rauen Oberflächen führen, die durch massive Stufenkonzentrationen (stepp-bunching) gekennzeichnet sind, die sich als wie in 3 und 7 gezeigte 'wellige' oder 'faltige' Oberflächen manifestieren. Wie in 3 und 7 gezeigt, nimmt der Anteil der welligen Oberfläche mit zunehmenden Fehlschnittwinkeln bis herauf zu etwa 0,35 Grad ab, wobei bei diesem Fehlschnittwinkel keine signifikanten Defekte mehr erkennbar sind.
  • Bestimmte von der vorliegenden Offenbarung angegebene Ausführungsformen umfassen eine unpolare oder semipolare (Ga, Al, In, B)N-Schicht, die eine von einer unpolaren oder semipolaren Ebene gebildete obere Oberfläche aufweist, die ein planares und optisch glattes Gebiet aufweist, dem mit einem optischen Mikroskop bei Lichtwellenlängen von zwischen 400 und 600 nm identifizierbare nicht-planare Oberflächenwelligkeiten oder Charakteristiken fehlen, wobei das Gebiet ausreichend groß zur Verwendung als Substrat für eine epitaktische Abscheidung von einer oder mehreren Bauelementschichten an der oberen Oberfläche des Gebiets ist, und die Bauelementschichten Licht mit einer Ausgangsleistung von zumindest 2 Milliwatt bei einem Speisestrom von 20 Milliampere (mA) emittieren.
  • 1 ist eine vereinfachte Darstellung des über ein Substrat fehlgeschnittenen Substrats. Das in 1 gezeigte Substrat ist ein GaN-Grundsubstrat. 1A veranschaulicht die Variation eines m-Fehlschnitts bzw. Fehlschnitts zur [1-100]-Richtung. 1B veranschaulicht die Variation eines a-Fehlschnitts bzw. Fehlschnitts zur [11-20]-Richtung. Die auf die c-Ebene bezogenen Fehlschnittwinkel sind in den Oberflächen der in den 1A und 1B veranschaulichten Substrate dargestellt. Wie in 1A gezeigt, liegen die Fehlschnittwinkel zur m-Richtung im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 0,7 Grad. Im Vergleich hierzu liegen die Fehlschnitte zur a-Richtung wie in 1B gezeigt im Bereich von etwa –0,65 bis etwa 1 Grad.
  • 2 zeigt Photolumineszenz(PL)-Karten für eine auf einem Substrat aufgewachsene InGaN/GaN-Heterostruktur. Dargestellt sind die Verteilung der Wellenlänge, die PL-Intensität und die Halbwertsbreite (FWHM) über den Wafer. Ein Aspekt der Substrateigenschaften ist die Wellenlängenbeschaffenheit wie sie in 2 oben links gezeigt ist (Peak Lamda 1). Unter Berücksichtigung der in 1 gezeigten Fehlschnittwinkel entlang der m-Richtung ist ersichtlich, dass dort, wo der Fehlschnittwinkel zumindest 0,35 Grad beträgt, die Gleichförmigkeit der Wellenlänge in größerem Umfang vorliegt. Zum Beispiel ist die Wellenlänge bei einem Fehlschnittwinkel von 0,35 Grad oder mehr zur m-Richtung nahe an 388,5 nm bis 393,6 nm, wohingegen, wenn der Fehlschnittwinkel zumindest 0,35 Grad beträgt, die Wellenlänge oberhalb von 400 nm liegen kann. Für einen festgelegten a-Ebenen Fehlschnitt ändert sich, um ein Beispiel zu geben, die PL-Emissionswellenlänge über dem Substrat mit dem m-Ebenen Fehlschnitt, wenn der m-Ebenen Fehlschnitt weniger als 0,35 Grad beträgt. Andererseits ist die PL-Emissionswellenlänge über dem Substrat bei einem festgelegten m-Ebenen Fehlschnitt im Wesentlichen unempfindlich gegenüber einem a-Ebenen Fehlschnitt. Andere PL-Charakteristiken, wie beispielsweise Spitzenintensität (Peak Int 1), Signalintensität (Int. Signal 1) und FWHM über der Bauelementoberfläche sind ebenfalls angegeben.
  • 3 zeigt die Oberflächenmorphologie eines auf einem Substrat aufgewachsenen Bauelements. Die Bilder wurden mittels Differentialinterferenzkontrastmikroskopie erhalten und entsprechen verschiedenen Orten auf dem Substrat. Man kann sehen, dass an der linken Seite, wo der Fehlschnittwinkel entlang der m-Richtung weniger als 0,35 Grad beträgt, eine faltige Oberfläche sichtbar wird. Dagegen ist die faltige Oberfläche bei Fehlschnittwinkeln von zumindest 0,35 Grad weniger ausgeprägt. Daher können Substratgebiete mit einem Fehlschnittwinkel von zumindest 0,35 Grad zur m-Richtung zum Beseitigen, Verringern oder Minimieren von faltigen Oberflächen auf gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstraten und auf solchen Substraten aufgewachsenen Schichten verwendet werden.
  • 4 zeigt Amplituden bzw. Höhenbilder eines Rasterkraftmikrokops (AFM) von 2 μm × 2 μm großen Gebieten an verschiedenen Stellen einer Substratoberfläche. Die zugehörigen RMS-Rauheitswerte (nm) sind bei bestimmten der einzelnen Bilder angegeben.
  • 5 zeigt AFM-Höhen bzw. -Amplitudenbilder von 50 μm × 50 μm großen Gebieten an verschiedenen Stellen einer Substratoberfläche. Bei jedem der einzelnen Bilder ist die zugehörige RMS-Rauheit (mn) angeben. Auf einer Stufe von 50 μm × 50 μm ist die Unebenheit bei Gebieten mit einem Fehlschnittwinkel von weniger als 0,35 Grad stärker ausgeprägt (zum Beispiel RMS 6,77 nm). Dagegen ist die Unebenheit in Gebieten, wo der Fehlschnittwinkel zumindest 0,35 Grad beträgt, geringer und bewegt sich in einem RMS-Bereich von 0,25 bis 0,6 nm.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen werden Verfahren zur Herstellung von dünnen (Al, Ga, In)N-Schichten auf Substratbereichen angegeben, die einen Fehlschnittwinkel von zumindest 0,35 Grad aufweisen. Verfahren geben auch ein Substrat oder eine Matrize mit einem von einer Kristallorientierung mit niedrigem Index wegführenden Fehlschnitt an. Auf einem Ga-face-(Al, Ga, In)N-Substrat oder -Matrize, das bzw. die von einem fehlgeschnittenen c-Ebenen-Substrat oder -Matrize gebildet ist, kann man eine dünne (Al, Ga, In)N-Schicht direkt aufwachsen lassen. Das Substrat oder die Matrize können von einem Ga-face-c-Ebenen-Substrat oder -Matrize gebildet sein, und der Fehlschnittwinkel zur [1-100]-Richtung beträgt zumindest 0,35 Grad. Die resultierende Oberflächenmorphologie der (Al, Ga, In)N-Schicht ist mit einer RMS-Rauheit von weniger als 1 nm über ein zumindest 2.500 μm2 großes Gebiet der Oberfläche atomar glatt. Bei bestimmten Ausführungsformen wurde sogar eine RMS-Rauheit von weniger als 0,2 nm über ein Gebiet der Oberfläche von wenigstens 2.500 μm2 beobachtet. Dabei ist hervorzuheben, dass der Fehlschnittwinkel von wenigstens 0,35 Grad zur m-Richtung für eine Wellenlängengleichförmigkeit bei einem auf der Oberfläche hergestellten Bauelement sorgt. Bei bestimmen Ausführungsformen beträgt die Standardabweichung der Wellenlängengleichförmigkeit über der glatten Oberfläche weniger als 1% und bei bestimmten Ausführungsformen weniger als 0,2%.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen beträgt die RMS-Rauheit über einen Oberflächenbereich von zumindest 500 μm2, zumindest 1.000 μm2, zumindest 1.500 μm2, zumindest 2.000 μm2, zumindest 2.500 μm2, zumindest 3.000 μm2, zumindest 4.000 μm2, und bei bestimmten Ausführungsformen von zumindest 5.000 μm2 weniger als 1 nm. Bei bestimmten Ausführungsformen beträgt die RMS-Rauheit über einen Oberflächenbereich von zumindest 500 μm2, zumindest 1.000 μm2, zumindest 1.500 μm2, zumindest 2.000 μm2, zumindest 2.500 μm2, zumindest 3.000 μm2, zumindest 4.000 μm2, und bei bestimmten Ausführungsformen von zumindest 5.000 μm2 weniger als 0,2 nm.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen bildet ein Ga-face-c-Ebenen-Substrat oder -Matrize das Substrat oder die Matrize und der Fehlschnittwinkel zur [1-100]-Richtung beträgt zumindest 0,35 Grad und weniger als 0,6 Grad und bei bestimmten Ausführungsformen weniger als 1 Grad. Bei einem Aufwachsen einer (Al, Ga, In)N-Schicht auf einer Oberfläche des Fehlschnitts ist die Oberflächenmorphologie der (Al, Ga, In)N-Schicht über einen Oberflächenbereich von zumindest 2.500 μm2 atomar glatt, mit einer RMS-Rauheit von weniger als 1 nm und bei bestimmten Ausführungsformen von weniger als 0,2 nm. Die Emissionswellenlänge eines (Al, Ga, In)N enthaltenden, auf der Oberfläche aufgewachsenen Bauelements ist über der Oberfläche im Wesentlichen gleichförmig, bei einer Standardabweichung der Wellenlängengleichförmigkeit von weniger als 1 und bei bestimmten Ausführungsformen bis herab zu 0,2%.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen bildet ein Ga-face-c-Ebenen-Substrat oder -Matrize das Substrat oder die Matrize, und der Fehlschnittwinkel zur [1-100]-Richtung beträgt mehr als 0,35 Grad und weniger als 0,75 Grad oder, bei bestimmten Ausführungsformen, weniger als 0,8 Grad. Ein auf einer Oberfläche des Fehlschnitts aufgewachsenen (Al, Ga, In)N-Schicht ist über eine Fläche von zumindest 2.500 μm2 atomar glatt, mit einer RMS-Rauheit von weniger als 1 nm, und bei bestimmten Ausführungsformen weniger als 0,2 nm über ein Gebiet der Oberfläche von zumindest 2.500 μm2.
  • Ein Substrat kann auch entlang der c-Ebene ausgerichtet sein. Bei bestimmten Ausführungsformen bildet ein Ga-face-c-Ebenen-Substrat oder -Matrize das Substrat oder die Matrize, und der Fehlschnittwinkel zur [11-20]-Richtung beträgt mehr als –1 Grad und weniger als 1 Grad. Bei bestimmten Ausführungsformen bildet ein Ga-face c-Ebenen-Substrat oder -Matrize das Substrat oder die Matrize, wobei der Fehlschnittwinkel zur [1-100]-Richtung wenigstens 0,35 Grad und weniger als 0,6 Grad oder, bei bestimmten Ausführungsformen, weniger als 1 Grad beträgt, und wobei der Fehlschnittwinkel zur [11-20]-Richtung mehr als –1 Grad und weniger als 1 Grad beträgt. Eine auf der Oberfläche des Fehlschnitts aufgewachsene (Al, Ga, In)N-Schicht weist über zumindest 2.500 μm2 der Oberfläche eine Oberflächenmorphologie des (Al, Ga, In)N mit einer RMS-Rauheit von weniger als 1 nm und bei bestimmten Ausführungsformen von weniger als 0,2 nm mit einer Standardabweichung der Wellenlängenhomogenität von weniger als 1% und bei bestimmten Ausführungsformen von weniger als 0,2% auf. Ähnliche Resultate werden erzielt, wenn ein Ga-face-c-Ebenen-Substrat oder -Matrize das Substrat oder die Matrize bildet, wobei der Fehlschnittwinkel zur [1-100]-Richtung wenigstens 0,35 Grad und weniger als 0,75 Grad, oder, bei bestimmten Ausführungsformen, weniger als 0,8 Grad beträgt, wobei ein Fehlschnittwinkel zur [11-20]-Richtung mehr als –1 Grad und weniger als 1 Grad beträgt.
  • Die Materialschichten können auf verschiedene Weisen ausgebildet werden. Das Aufwachsen der mehreren (Al, Ga, In)N-Schichten kann sukzessive erfolgen und zur Ausbildung eines lichtemittierenden Bauelements und/oder eines elektronischen Bauelements verwendet werden. Die Schichten umfassen n- und p-leitend dotierte Schichten, in denen zumindest eine aktive Zone ausgebildet ist.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen gibt die vorliegende Offenbarung Verfahren zur Herstellung von LED-Dioden aus einem Grundsubstratmaterial an. Die Verfahren umfassen ein Bereitstellen eines Grundsubstratmaterials, das eine obere Oberfläche mit einem Gebiet aufweist, das durch eine c-Ebenen-Orientierung mit einem Fehlschnittwinkel von zumindest 0,3 Grad oder zumindest 0,35 Grad zur m-Richtung gekennzeichnet ist. Das Gebiet wird in Segmente geschnitten, um einzelne Elemente für die Ausbildung von LED-Dioden zu erhalten.
  • Die 6A bis 6D veranschaulichen Substratmaterialien gemäß bestimmten von der vorliegenden Offenbarung angegebenen Ausführungsformen. Das in 6A gezeigte Grundsubstrat 602 weist in [0001]-Richtung 616 eine zylindrische Form (ähnlich der eines Einkristallstabs) auf. Um Substrate zu erhalten, die zur Herstellung von LED-Bauelementen verwendet werden können, kann die obere Oberfläche 604 des Grundsubstrats, die entsprechend der c-Ebene 601 (d. h. der kristallografischen [0001]-Ebene) ausgerichtet ist, als Referenzebene zum Erzeugen von c-Ebenen-Wafern verwendet werden. Herkömmliche Verarbeitungsverfahren umfassen zum Beispiel ein Schneiden des Grundsubstrats entlang einer im Wesentlichen zur c-Ebene parallelen Oberfläche, um einen achskonformen c-Ebenen-Wafer 612 bereitzustellen. Bestimmte von der vorliegenden Offenbarung angegebene Ausführungsformen verwenden für das Wafermaterial dagegen eine ”Fehlschnittwinkel”-Oberfläche. Wie in 6A gezeigt, ist die c-Ebenen-Waferoberfläche durch die a-Achse [2110] 606 und die m-Achse [0110] 608 definiert. In 6A kann ein Fehlschnittwinkel 614 von zumindest 0,35 Grad relativ zur m-Achse 608 gewählt werden, um eine gleichmäßige und glatte Oberfläche für das zur Herstellung von LED-Bauelementen verwendete Wafermaterial 610 zu erhalten.
  • Das Grundsubstrat 602 von 6B weist in [0001]-Richtung 611 eine zylindrische Form (ähnlich der eines Einkristallstabes) auf. Um Substrate zu erhalten, die zur Herstellung von LED-Bauelementen verwendet werden können, kann die entsprechend der c-Ebene (d. h. der kristallografischen [0001]-Ebene) ausgerichtete obere Oberfläche 604 des Grundsubstrats als Referenzebene zum Erzeugen von c-Ebenen-Wafern verwendet werden. Herkömmliche Verarbeitungsverfahren umfassen zum Beispiel ein Schneiden eines Grundsubstrats entlang einer im Wesentlichen zur c-Ebene parallelen Oberfläche, um einen achskonformen c-Ebenen-Wafer 612 bereitzustellen. Bestimmte von der vorliegenden Offenbarung angegebene Ausführungsformen verwenden für das Wafermaterial dagegen eine ”Fehlschnittwinkel”-Oberfläche. Wie in 6B gezeigt, ist die c-Ebenen-Waferoberfläche durch die a-Achse [2110] 606 und die m-Achse [0110] 608 definiert. Wie in 6B gezeigt, kann ein Fehlschnittwinkel 614 von zumindest 0,35 Grad relativ zur a-Achse 606 gewählt werden, um für ein Wafermaterial 610 eine gleichmäßige und glatte Oberfläche zu erhalten.
  • Das Grundsubstrat 602 von 6C weist in [0001]-Richtung 611 eine zylindrische Form (ähnlich der eines Einkristallstabes) auf. Um Substrate zu erhalten, die zur Herstellung von LED-Bauelementen verwendet werden können, kann die entsprechend der c-Ebene (d. h. der kristallografischen [0001]-Ebene) ausgerichtete obere Oberfläche 604 des Grundsubstrats als Referenzebene zum Erzeugen von c-Ebenen-Wafern verwendet werden. Herkömmliche Verarbeitungsverfahren umfassen zum Beispiel ein Schneiden eines Grundsubstrats entlang einer im Wesentlichen zur c-Ebene parallelen Oberfläche, um einen achskonformen c-Ebenen-Wafer 612 bereitzustellen. Bestimmte von der vorliegenden Offenbarung angegebene Ausführungsformen verwenden für das Wafermaterial dagegen eine ”Fehlschnittwinkel”-Oberfläche. Wie in 6C gezeigt, ist die c-Ebenen-Waferoberfläche durch die a-Achse [2110] 606 und die m-Achse [0110] 608 definiert. In 6C kann ein Fehlschnittwinkel von zumindest 0,35 Grad relativ zu sowohl der a-Achse als auch der m-Achse 608 gewählt werden, um für das Wafermaterial 610 eine gleichmäßige und glatte Oberfläche zu erhalten.
  • 6D stellt eine schematische Querschnittsansicht dar, die die relative Orientierung von Gitterebenen 616 unter Bezugnahme auf eine Waferoberfläche 624 bei einem fehlgeschnittenen Wafer veranschaulicht. Wie in 6D ersichtlich, zeigt die Fehlschnittrichtung 618 senkrecht zur Oberfläche 620 von der Normalen 622 der Kristallebene ”weg”.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen beträgt der Fehlschnittwinkel auf der c-Ebene wenigstens 0,30 Grad zur m-Richtung, zumindest 0,32 Grad, zumindest 0,35 Grad, zumindest 0,37 Grad, zumindest 0,40 Grad, und bei bestimmten Ausführungsformen zumindest 0,42 Grad.
  • 7 zeigt Bilder von verschiedenen Fehlschnittsubstraten entsprechend bestimmten, von der vorliegenden Offenbarung angegebenen Ausführungsformen. Wie gezeigt, nimmt die Oberflächenrauheit bei, Fehlschnittwinkeln von zumindest 0,35 Grad zur m-Achse ab.
  • 8 zeigt den Zusammenhang. zwischen Oberflächenrauheit und Fehlschnittwinkel für c-Ebenen-Substrate, die, entsprechend von der vorliegenden Offenbarung angegebenen bestimmten Ausführungsformen, zur m-Richtung und zur a-Richtung hin fehlgeschnitten sind. Wie gezeigt, nimmt die Oberflächenrauheit bei Fehlschnittwinkeln von wenigstens etwa 3,5 Grad zur m-Richtung dramatisch ab.
  • 9 zeigt ein Beispiel für Aufwachsschritte zur Herstellung eines optischen Bauelements gemäß bestimmten von der vorliegenden Offenbarung angegebenen Ausführungsformen. Das in 9 gezeigte optische Bauelement umfasst ein GaN-Grundsubstrat 901, das wie hier angegeben fehlgeschnitten sein kann, eine n-leitende Schicht 902, wie beispielsweise eine siliciumdotierte GaN-Schicht, eine aktive Zone, die zum Beispiel Mehrfach-Quantentöpfe aufweist, die aktive Schichten 903 und Sperrschichten 904 umfassen, eine Elektronensperrschicht 905 und eine p-leitende Schicht 907, wie beispielsweise eine Mg-dotierte GaN-Schicht. Bei bestimmten Ausführungsformen weist die p-Schicht eine zweite p-leitende Schicht 905 auf, wobei eine p-leitende Schicht als Elektronensperrschicht fungiert und die zweite p-leitende Schicht als Kontaktbereich dient. Wie in 9 gezeigt, umfasst die Aufwachssequenz ein Abscheiden von zumindest (1) einem n-leitenden epitaktischen Material, (2) einer aktiven Zone, (3) einer Elektronensperrschicht und (4) einem p-leitenden epitaktischen Material. Selbstverständlich sind auch andere Variationen, Abwandlungen und Alternativen möglich. Weitere Einzelheiten des vorliegenden Verfahrens sind der vorliegenden Beschreibung als Ganzes und insbesondere nachstehend zu entnehmen. Beispiele bestimmter Merkmale und Abscheideparameter für die verschiedenen Materialien zur Ausbildung der in 9 gezeigten Schichten werden wie folgt angegeben:
    • 1. Grundwafer: jedwede Orientierung, z. B. polar, unpolar, semipolar, c-Ebene (Al, Ga, In)N-basierendes Material Schraubenversetzungsdichte (TD): < 1·108 cm–2 Stapelfehlerdichte (SF): < 1·104 cm–1 Dotierung: > 1·1017 cm–3
    • 2. N-leitendes epitaktisches Material: Dicke: < 5 μm, < 1 μm, < 0,5 μm, < 0,2 μm (Al, Ga, In)N-basierendes Material Aufwachstemperatur: < 1.200°C, < 1.000°C NAD oder dotiert
    • 3. Aktive Zonen: Zumindest eine AlInGaN-Schicht Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) Dicke der Quantentöpfe ist > 20 Å, > 50 Å, > 80 Å Aufwachstemperatur für Quantentöpfe und n- und p-Schicht identisch oder ähnlich Emissionswellenlänge < 575 nm, < 500 nm, < 450 nm, < 410 nm
    • 4. P-leitendes epitaktisches Material Zumindest eine Mg-dotierte Schicht < 0,3 μm, < 0,1 μm (Al, Ga, In)N-basierend Aufwachs-T < 1100°C, < 1000°C, < 900°C Zumindest eine Schicht fungiert als Elektronensperrschicht Zumindest eine Schicht fungiert als Kontaktschicht.
  • 10 zeigt ein Beispiel für Schritte zum Aufwachsen einer gleichrichtenden p-n-Übergangsdiode nach bestimmten von der vorliegenden Offenbarung angegebenen Ausführungsformen. Wie in 10 gezeigt, umfasst die Aufwachssequenz ein Abscheiden von zumindest (1) einem n-leitenden epitaktischen Material und (4) einem p-leitenden epitaktischen Material. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das GaN-Grundsubstrat 1001 ein Substrat auf Basis von (Al, Ga, In)N mit beliebiger Orientierung wie beispielsweise einer hierin offenbarten Fehlschnittorientierung, einer Schraubenversetzungsdichte von weniger als 1·108 cm–2, einer Stapelfehlerdichte von weniger als 5·103 cm–1 und einer Dotierung von mehr als 1·1017 cm–3. Bei bestimmten Ausführungsformen basiert die n-Schicht 1002 auf (Al, Ga, In)N wie beispielsweise n-GaN. Bei bestimmten Ausführungsformen weist die n-Schicht 1002 eine Dicke von weniger als 2 μm, weniger als 1 μm, weniger als 0,5 μm, und bei bestimmten Ausführungsformen von weniger als 0,2 μm auf. Bei bestimmten Ausführungsformen wächst die n-Schicht bei einer Temperatur von unter 1200°C, und bei bestimmten Ausführungsformen von unter 1000°C auf. Bei bestimmten Ausführungsformen erfolgt das Aufwachsen der n-Schicht 1002 bei einer Temperatur von weniger als 1200°C und bei bestimmten Ausführungsformen bei weniger als 1000°C. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die n-Schicht 1002 nicht absichtlich dotiert (NAD) oder dotiert sein. Das im oberen Teil der 10 gezeigte Bauelement zeigt ein Beispiel für ein Bauelement, das ein GaN-Grundsubstrat, eine n-leitende Schicht wie beispielsweise eine Si-dotierte AlInGaN-Schicht und eine p-leitende Schicht wie beispielsweise eine Mg-dotierte AlInGaN-Schicht aufweist.
  • 11 zeigt ein Beispiel für ein vereinfachtes Abscheideverfahren zur Ausbildung eines Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit bzw. eines Metallhalbleiterfeldeffekttransistors gemäß bestimmten von der vorliegenden Offenbarung angegebenen Ausführungsformen. Wie gezeigt, umfasst die Abscheidesequenz ein Abscheiden von zumindest (1) einem nicht absichtlich dotierten epitaktischen Material (Puffer); und (4) einem (AlInGaN)-Sperrschichtmaterial, das entweder nicht absichtlich dotiert oder n-leitend dotiert ist. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst das GaN-Grundsubstrat 1101 ein Substrat auf Basis von (Al, Ga, In)N jeglicher Orientierung wie beispielsweise einer hierin offenbarten Fehlschnittorientierung, mit einer Schraubenversetzungsdichte von weniger als 1·108 cm–2, einer Stapelfehlerdichte von weniger als 5·103 cm–1 und einer Dotierung von mehr als 1·1017 cm–3. Bei bestimmten Ausführungsformen basiert die Pufferschicht 1102 auf (Al, Ga, In)N wie beispielsweise n-GaN. Bei bestimmten Ausführungsformen weist die Pufferschicht 1102 eine Dicke von weniger als 2 μm, weniger als 1 μm, weniger als 0,5 μm und bei bestimmten Ausführungsformen weniger als 0,2 μm auf. Bei bestimmten Ausführungsformen beträgt die Temperatur zum Aufwachsen der Pufferschicht 1102 weniger als 1200°C und bei bestimmten Ausführungsformen weniger als 1000°C. Bei bestimmten Ausführungsformen weist die Pufferschicht 1102 eine durch Fe- oder C-Dotierung halbleitend gemachte Einzelschicht auf. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die Pufferschicht 1102 nicht absichtlich dotiert. Bei bestimmten Ausführungsformen weist die Pufferschicht eine Dicke von weniger als 0,1 μm, weniger als 500 nm und bei bestimmten Ausführungen von weniger als 30 nm auf. Bei bestimmten Ausführungsformen basiert die Sperrschicht auf (Al, Ga, In)N wie beispielsweise AlGaN, das mit Silicium dotiert oder nicht absichtlich dotiert sein kann. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die Sperrschicht als Einzelschicht ausgebildet. Bei bestimmten Ausführungsformen erfolgt das Aufwachsen der Sperrschicht bei einer Temperatur von weniger als 1200°C, weniger als 1100°C und bei bestimmten Ausführungen bei weniger als 1000°C. Wie in 11 oben bezeigt, kann ein Bauelement bei bestimmten Ausführungsformen als HEMT oder MESFET ausgebildet sein, und zum Beispiel ein GaN-Grundsubstrat 1101, eine nicht absichtlich dotierte GaN-Pufferschicht und eine nicht absichtlich dotierte oder Si-dotierte AlGaN-Sperrschicht aufweisen.
  • Auch wenn sich die oben angegebene Offenbarung in erster Linie auf LED-Bauelemente bezieht, ist doch zu betonen, dass die Verfahren und Materialien, auch bei der Herstellung und Entwicklung anderer elektronischer und optoelektronischer Bauelemente eingesetzt werden können. Bestimmte von der vorliegenden Offenbarung angegebene Ausführungsformen können, um ein Beispiel zu geben, unter Verwendung eines Autokassetten-MOCVD-Reaktors eingesetzt werden, bei dem die Kassette zwei oder mehrere Einzelwafer oder Waferschalen für Multiwaferreaktoren aufnimmt. Bei bestimmten Ausführungsformen kann eine epitaktische Struktur ein LED-Bauelement ausbilden, das zur Emission elektromagnetischer Strahlung in einem Bereich von 390–420 nm, 420–460 nm, 460–450 nm, 500–600 nm und anderen imstande ist. Bei bestimmten Ausführungsformen können diverse Bauelemente unter Verwendung der von der vorliegenden Offenbarung angegebenen Verfahren, Substrate und Materialien hergestellt werden, einschließlich, zum Beispiel, p-n-Dioden, Schottky-Dioden, Transistoren, Transistoren hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT), bipolare Transistoren (RJT), Heterojuncion Bipolar Transistoren (HBT), Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MESFET), Metal-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET), Metall-Isolator-Halbleiter-Heterojunction-Feldeffekttransistoren (MISHFET) und Kombinationen beliebiger der vorgenannten. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das als Substrat verwendete gallium- und stickstoffhaltige Material durch eine oder diverse Oberflächenorientierungen, zum Beispiel unpolar, semipolar, polar, gekennzeichnet werden.
  • Schließlich wird darauf hingewiesen, dass mehrere alternative Möglichkeiten zur Umsetzung der hier offenbarten Ausführungsformen möglich sind. Die vorliegenden Ausführungsformen sind daher als nicht beschränkende Veranschaulichungen anzusehen. Außerdem sind die Ansprüche nicht auf die hier angegebenen Einzelheiten beschränkt, sondern erstrecken sich auf ihren vollen Umfang und auf Äquivalente hiervon.
  • Gemäß einer Ausführungsform verwendet ein Verfahren zum Angeben dünner (AlGaIn)N-Schichten auf Ga-face-c-Ebenen-(Al, Ga, In)N-Substraten c-Ebenen-Oberflächen mit einem Fehlschnitt von mehr als wenigstens 0,35 Grad zur m-Richtung. Auf den glatten dünnen (Al, Ga, In)N-Schichten werden lichtemittierende Bauelemente ausgebildet. Auf den glatten Oberflächen hergestellte Bauelemente zeigen eine verbesserte Qualität.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Herstellen eines Bauelements, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen eines gallium- und stickstoffhaltigen Substrats, das einen Oberflächenbereich aufweist, wobei der Oberflächenbereich durch eine c-Ebene, einen Fehlschnittwinkel von zumindest 0,35 Grad von der c-Ebene zur m-Richtung und dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Projektion der Oberflächennormalen sich mit der m-Achse deckt; Ausbilden einer gallium- und stickstoffhaltigen Dünnschicht; Ausbilden einer auf der dünnen Schicht aufliegenden elektrischen Kontaktregion.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Substrat eine Oberfläche aufweist, die durch einen Fehlschnittwinkel von mehr als –1 Grad und weniger als 1 Grad zur [11-20]-Richtung gekennzeichnet ist; wobei das Bauelement unter einem optischen Bauelement und einem elektrischen Bauelement ausgewählt; und die dünne Schicht eine Schicht aufweist, die eine aluminiumhaltige Spezies und eine indiumhaltige Spezies aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Substrat einen von einer Kristallorientierung mit niedrigem Index wegweisenden Fehlschnitt aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin das Dünnschichtmaterial (Al, Ga, In)N aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, worin das Aufwachsen der dünnen (Al, Ga, In)N-Schicht direkt auf einem Ga-face des (Al, Ga, In)N-Substrats erfolgt, das von einem fehlgeschnittenen c-Ebenen-Substrat gebildet wird, und worin ein Ga-face-c-Ebenen-Substrat das Substrat bildet und der Fehlschnittwinkel zur [1-100]-Richtung zumindest 0,35 Grad beträgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die dünne Schicht durch eine Oberflächenmorphologie mit einem Effektivwert der Rauheit von weniger als 0,5 nm über einen Oberflächenbereich von wenigstens 2.500 μm2 gekennzeichnet ist; und das ferner das Bewirken einer Ausbildung eines resultierenden Substrats umfasst, das durch eine Emissionswellenlänge gekennzeichnet ist, die über der Oberfläche im Wesentlichen gleichförmig ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin ein Ga-face-c-Ebenen-Substrat das Substrat bildet und der Fehlschnittwinkel zur [1-100]-Richtung ausgebildet ist und zumindest 0,35 Grad und weniger als 1 Grad beträgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, worin ein Ga-face-c-Ebenen-Substrat das Substrat bildet und der Fehlschnittwinkel zur [11-20]-Richtung ausgebildet ist und mehr als –1 Grad und weniger als 1 Grad beträgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin ein Ga-face-c-Ebenen-Substrat das Substrat bildet und der Fehlschnittwinkel zur [1-100]-Richtung ausgebildet ist und mehr als 0,4 Grad und weniger als 0,8 Grad beträgt, und ein Fehlschnittwinkel zur [11-20]-Richtung mehr als –1 Grad und weniger als 1 Grad beträgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin ein direkt auf eine Oberfläche des c-Ebenen-Fehlschnitts aufgewachsene (Al, Ga, In)N-Schicht die dünne Schicht bildet.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, worin die dünne Schicht durch eine Oberflächenmorphologie gekennzeichnet ist, die einen Effektivwert der Rauheit von weniger als 0,3 nm über einen Oberflächenbereich der dünnen Schicht von zumindest 2.500 μm2 aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, worin das Substrat von einem Ga-face-c-Ebenen-Substrat gebildet wird, das einen Fehlschnittwinkel zur [1-100]-Richtung von zumindest 0,35 Grad und weniger als 1 Grad, sowie einen Fehlschnittwinkel zur [11-20]-Richtung von mehr als –1 Grad und weniger als 1 Grad aufweist.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das die Ausbildung mehrerer (Al, Ga, In)N-Schichten umfasst, die auf dem Oberflächenbereich in einer aufeinanderfolgenden Weise aufliegen.
  14. Bauelement, das (Al, Ga, In)N und eine erste Oberfläche aufweist, die durch eine c-Ebene mit einem Fehlschnittswinkel von zumindest 0,35 Grad zur m-Richtung gekennzeichnet ist.
  15. Bauelement nach Anspruch 14, worin: das Bauelement eine lichtemittierende Diode ist, die durch eine Standardabweichung der Photolumineszenzwellenlänge von weniger oder gleich 0,2% gekennzeichnet ist, und die erste Oberfläche durch einen Effektivwert der Rauheit von weniger als 1 nm über einen Bereich von wenigstens 2.500 μm2 gekennzeichnet ist.
  16. Bauelement nach Anspruch 14 oder 15, das zumindest eine n-leitend dotierte Schicht und zumindest eine p-leitend dotierte Schicht aufweist.
  17. Bauelement nach Anspruch 16, das zumindest eine aktive Zone aufweist.
  18. Bauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 17, worin die erste Oberfläche eine Oberfläche eines Ga-face-c-Ebenen-Substrats aufweist, das einen Fehlschnittwinkel zur [1-100]-Richtung von zumindest 0,35 Grad und weniger als 1 Grad, sowie einen Fehlschnittwinkel zur [11-20]-Richtung von mehr als –1 Grad und weniger als 1 Grad aufweist.
  19. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauelements aus einem gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrat, wobei das Verfahren folgendes aufweist: Bereitstellen des gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats mit einer oberen Oberfläche, worin zumindest ein Oberflächenbereich an der oberen Oberfläche von einer c-Ebene gebildet ist, die einen Fehlschnittwinkel von zumindest 0,35 Grad zur m-Richtung aufweist; Unterziehen des zumindest einen Oberflächenbereichs einem Behandlungsvorgang zum Entfernen von Oberflächendefekten, wobei der Behandlungsvorgang eine Verwendung einer wasserstoff- und einer stickstoffhaltigen Spezies umfasst; Ausbilden eines n-leitenden gallium- und stickstoffhaltigen Materials, das auf dem zumindest einen Oberflächenbereich aufliegt; Ausbilden einer aktiven Zone, die mehrere dünne Schichtlagen umfasst, die auf dem n-leitenden gallium- und stickstoffhaltigen Material aufliegen, wobei jede der dünnen Schichtlagen eine Indiumspezies, eine Aluminiumspezies, und eine gallium- und stickstoffhaltige Spezies aufweist; Ausbilden eines aluminium-, gallium-, indium-, gallium- und stickstoffhaltigen Elektronensperrschichtmaterials, das auf der aktiven Zone aufliegt; und Ausbilden eines p-leitenden gallium- und stickstoffhaltigen Materials, das auf dem elektronensperrenden Material aufliegt, um die Ausbildung eines gefertigten gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats zu bewirken; wobei das gefertigte gallium- und stickstoffhaltige Grundsubstrat durch eine Standardabweichung der PL-Wellenlänge von weniger als oder gleich 0,2% gekennzeichnet ist, und jede der dünnen Schichtlagen einen Oberflächenbereich aufweist, der durch einen Effektivwert der Rauheit von weniger als oder gleich 1 nm über einen Oberflächenbereich von zumindest 2.500 μm2 gekennzeichnet ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, worin das n-leitende gallium- und stickstoffhaltige Material von einem n-leitenden GaN gebildet ist; das p-leitende gallium- und stickstoffhaltige Material von einem p-leitenden GaN gebildet ist; das Elektronensperrmaterial von AlGaN gebildet ist; jede der Schichten in der aktiven Zone von AlInGaN gebildet ist; und die aktive Zone mehrere Quantentöpfe aufweist, wobei die mehreren Quantentöpfe ab drei bis zwanzig Quantentöpfe umfassen, jeder der Quantentöpfe durch eine Sperrzone abgesondert ist und jede der Sperrzonen GaN aufweist.
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