DE102012103686A1 - Epitaxiesubstrat, Verfahren zur Herstellung eines Epitaxiesubstrats und optoelektronischer Halbleiterchip mit einem Epitaxiesubstrat - Google Patents

Epitaxiesubstrat, Verfahren zur Herstellung eines Epitaxiesubstrats und optoelektronischer Halbleiterchip mit einem Epitaxiesubstrat Download PDF

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Abstract

Es wird ein Epitaxiesubstrat (11, 12, 13) für ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial angegeben, das eine Nukleationsschicht (2) direkt auf einem Substrat (1) aufweist, wobei die Nukleationsschicht (2) zumindest eine erste Schicht (21) aus AlON mit einer Säulenstruktur aufweist. Weiterhin werden ein Verfahren zur Herstellung eines Epitaxiesubstrats und ein optoelektronischer Halbleiterchip mit einem Epitaxiesubstrat

Description

  • Es werden ein Epitaxiesubstrat, ein Verfahren zur Herstellung eines Epitaxiesubstrats und ein optoelektronischer Halbleiterchip mit einem Epitaxiesubstrat angegeben.
  • Halbleitermaterialien basierend auf einem Gruppe-III-Nitrid-Material werden in der Regel heteroepitaktisch auf Fremdsubstraten, beispielsweise Saphir (Al2O3), abgeschieden. Nach heutigem Stand der Technik wird zu Beginn des Heteroepitaxie-Prozesses üblicherweise eine Nukleationsschicht aus einem Gruppe-III-Nitrid-Material, insbesondere AlN oder GaN, abgeschieden, auf dem wiederum die gewünschte Gruppe-III-Nitrid-Schichtstruktur, beispielsweise für eine lichtemittierende Diode (LED), epitaktisch aufgewachsen wird. Die Nukleationsschicht wird üblicherweise bei Temperaturen von größer als 450°C und kleiner 690°C auf dem Fremdsubstrat epitaktisch abgeschieden. Vor dem Aufwachsen der Nukleationsschicht wird typischerweise noch ein thermischer Reinigungsschritt des Substrats durchgeführt.
  • Üblicherweise werden sowohl die Nukleationsschicht als auch die danach folgende Schichtstruktur mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE: „metalorganic vapor phase epitaxy“) abgeschieden. Hierbei können sich insbesondere Probleme bei der Kontrolle der folgenden Parameter ergeben: Temperatur, Schichtdicke, Wechselwirkungen mit der Substratoberfläche, Wechselwirkungen mit der Resorptionsphase im Falle von thermischem Reinigen vor der Epitaxie der Nukleationsschicht, Rekristallisationsschritt nach der Epitaxie der Nukleationsschicht.
  • Weiterhin sind sehr zeitaufwändige Temperaturanpassungen, so genannte Temperaturrampen, notwendig um die Prozesstemperatur zwischen dem bei hoher Temperatur stattfindenden thermischen Reinigungsschritt und dem Abscheiden der Nukleationsschicht bei deutlich niedrigerer Temperatur sowie zwischen dem Abscheiden der Nukleationsschicht und dem Wachstum der gewünschten Gruppe-III-Nitrid-Schichtenfolge, die ebenfalls bei einer deutlich höheren Temperatur stattfindet, anzupassen. Mittels In-situ-Kontrolle wie etwa Pyrometrie und Reflektometrie während des MOVPE-Prozesses wird versucht, die Oberflächentemperatur und die Wachstumsrate während des Aufwachsens der Nukleationsschicht zu bestimmen, was jedoch technisch schwierig ist.
  • Unerwünschte Variationen in der Nukleationsschicht und während des thermischen Reinigungsschritts aufgrund von Variationen in den verwendeten Fremdsubstraten werden jedoch üblicherweise in Kauf genommen. Diese müssen experimentell bestimmt und minimiert beziehungsweise optimiert werden.
  • Als Alternative zum Aufbringen der Nukleationsschicht mittels MOVPE ist beispielsweise aus der Druckschrift US 6,692,568 B2 auch die Abscheidung einer Nukleationsschicht aus AlN mittels Sputtern bekannt.
  • Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein Epitaxiesubstrat für ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial anzugeben. Weitere Aufgaben von bestimmten Ausführungsformen liegen darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Epitaxiesubstrats und einen optoelektronischen Halbleiterchip mit einem Epitaxiesubstrat anzugeben.
  • Diese Aufgaben werden durch Gegenstände und Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Gegenstands und des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein Epitaxiesubstrat eine Nukleationsschicht auf. Das Epitaxiesubstrat, das auch als so genanntes Quasisubstrat bezeichnet werden kann und insbesondere ein Substrat aufweist, auf dem zumindest die Nukleationsschicht angeordnet ist, dient als Aufwachssubstrat für eine Halbleiterschichtenfolge aus einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial. Das Substrat, das beispielsweise Saphir, Silizium oder SiC aufweisen oder daraus sein kann, dient wiederum insbesondere als Aufwachssubstrat für die Nukleationsschicht, die direkt auf dem Substrat aufgebracht wird. Insbesondere kann das Substrat des hier beschriebenen Epitaxiesubstrats somit ein so genanntes Fremdsubstrat sein, dass kein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial aufweist. Die Nukleationsschicht wiederum stellt eine Oberfläche bereit, auf der die Halbleiterschichtenfolge aus dem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial durch ein Epitaxieverfahren, beispielsweise MOVPE oder MBE (Molekularstrahlepitaxie; „molecular beam epitaxy“), aufgewachsen werden kann, beispielsweise zur Herstellung eines optoelektronischen Halbleiterchips.
  • Unter Bezeichnungen wie etwa „GaN basierende Materialien“, „(In,Al,Ga)N-basierte Verbindungshalbleitermaterialien“ und „Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien“ fallen insbesondere solche, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem InxAlyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweisen, beispielsweise also GaN, AlN, AlGaN, InGaN, AlInGaN.
  • Die Nukleationsschicht weist zumindest eine erste Schicht auf, die aus Aluminiumoxinitrid (AlON) ist und die eine Säulenstruktur aufweist. Die erste Schicht der Nukleationsschicht aus AlON ist direkt auf dem Substrat aufgebracht. Die Säulenstruktur kann insbesondere so ausgebildet sein, dass die erste Schicht der Nukleationsschicht Säulen aufweist, die sich vom Substrat weg erstrecken. Die Säulen der Säulenstruktur können Kristalloberflächen bereitstellen, auf denen weitere Schichten, insbesondere Halbleiterschichten aus einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, mit hoher Kristallqualität aufgebracht werden können.
  • Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Epitaxiesubstrats für ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial wird das Substrat bereitgestellt. Auf eine Oberfläche des Substrats wird in einem weiteren Verfahrensschritt die Nukleationsschicht mit der zumindest einen ersten Schicht aus AlON direkt aufgebracht.
  • Die im Folgenden beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen gelten gleichermaßen für das Epitaxiesubstrat und das Verfahren zur Herstellung des Epitaxiesubstrats.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Nukleationsschicht und insbesondere die erste Schicht aus AlON bei einer Temperatur von größer oder gleich 700°C und kleiner oder gleich 1000°C aufgebracht. Die Temperaturobergrenze von etwa 1000°C stellt eine kritische Grenze dar, da eine Halbleiterschicht, die bei einer Temperatur von mehr als 1000°C aufgebracht wird, nicht mehr als Nukleationsschicht ausgebildet ist. Bevorzugt kann eine Temperatur sein, die größer oder gleich 800°C ist. Weiterhin kann eine Temperatur besonders geeignet sein, die kleiner oder gleich 900°C ist. Besonders bevorzugt kann insbesondere eine Temperatur sein, die größer oder gleich 825°C und/oder die kleiner oder gleich 875°C ist, also etwa eine Temperatur im Bereich von +/–25°C um 850°C. Die zumindest eine erste Schicht der Nukleationsschicht aus AlON mit der Säulenstruktur kann bei der beschriebenen Temperatur bevorzugt mittels MOVPE und besonders bevorzugt mittels Sputtern abgeschieden werden. Alternativ hierzu sind auch MBE, Hydridgasphasenepitaxie (HVPE: „hydride vapor phase epitaxy“), chemische Gasphasenabscheidung (CVD: „chemical vapor deposition“) oder Atomlagenabscheidung (ALD: atomic layer deposition“) möglich.
  • Anders als im Fall von bekannten Nukleationsschichten aus (Al,In,Ga)N, die bei niedrigen Temperaturen abgeschieden werden, so genannten Niedertemperatur-Nukleationsschichten, wird bei dem hier beschriebenen Verfahren die Nukleationsschicht bei einer deutlich höheren Temperatur aufgebracht. Die oben beschriebenen schwer zu kontrollierenden und langen Temperaturrampen, die aufgrund der unterschiedlichen Temperaturbereiche für die unterschiedlichen Verfahrensschritte vor und nach dem Aufbringen einer Niedertemperatur-Nukleationsschicht erforderlich sind, können bei der hier beschriebenen Nukleationsschicht vermieden werden. Beispielsweise kann bei dem hier beschriebenen Verfahren die Temperatur, bei der die Nukleationsschicht und insbesondere die zumindest eine erste Schicht aus AlON mit der Säulenstruktur abgeschieden wird, von der Temperatur, mit der weitere Schichten auf der Nukleationsschicht abgeschieden werden, um weniger als 200°C und bevorzugt um weniger als 150°C abweichen.
  • Zum Aufbringen der Nukleationsschicht und insbesondere zum Aufbringen der zumindest einen ersten Schicht aus AlON kann beispielsweise eine Gasquelle eingesetzt werden, die auf N2 und/oder H2 basiert, das mit O2 durchmischt ist. Weiterhin kann auch H2O eingesetzt werden, das einem Trägergas über einen Dampfdrucksättiger („bubbler“), also einem so genannten H2O-Bubbler, zugesetzt wird. Weiterhin ist es auch möglich, dass beispielsweise eine metallorganische Gasquelle eingesetzt wird, die auf Aluminium basiert und die Sauerstoff enthält, beispielsweise Diethylaluminiumethoxid oder eine Mischung aus Diethylaluminiumethoxid und Trimethylaluminium. Durch die Steuerung der beim Aufwachsverfahren der Nukleationsschicht, insbesondere der zumindest einen ersten Schicht, zugeführten Menge des Sauerstoff-haltigen Gases kann die Sauerstoffkonzentration in der zumindest einen ersten Schicht aus AlON gesteuert werden.
  • Weiterhin ist es auch möglich, beispielsweise die Oberfläche des Substrats, auf der die Nukleationsschicht aufgebracht wird, mit Sauerstoff zu terminieren. Beispielsweise kann hierzu das Substrat in einem O2-Plasma vorkonditioniert werden. Eine solche Sauerstoff-Terminierung der Substratoberfläche führt zum Wachstum von AlON auch mit Gasquellen, die üblicherweise zur Herstellung von AlN-Nukleationsschichten eingesetzt werden. Insbesondere kann ein Saphir-Substrat durch ein O2-Plasma vorkonditioniert werden, da die Sauerstoff-Terminierung der Saphiroberfläche zum Wachstum von AlON speziell an der Saphir-AlN-Grenzfläche führen kann. Weiterhin ist es auch möglich, auf das Substrat ein Aluminiumoxid aufzubringen, beispielsweise mittels Atomlagenabscheidung, welches ebenfalls die Formation von AlON begünstigt.
  • Die vorab beschriebenen Quellen beziehungsweise Verfahren zur Bereitstellung des Sauerstoffs können auch miteinander kombiniert werden, beispielsweise eine Oberflächenkonditionierung mit Sauerstoff und die Zuführung eines Sauerstoff-haltigen Gases. Durch eine Konditionierung der Substratoberfläche mit Sauerstoff und/oder das Aufbringen von Aluminiumoxid auf die Oberfläche des Substrats und/oder durch eine Steuerung der zugeführten Sauerstoffmenge beziehungsweise des Sauerstoff-haltigen Gases kann der Sauerstoffgehalt in der zumindest einen ersten Schicht aus AlON gesteuert werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Säulenstruktur der zumindest einen ersten Schicht aus AlON einen Sauerstoffgehalt von größer oder gleich 0,1% und kleiner oder gleich 30% auf. Die Sauerstoffkonzentration kann in Wachstumsrichtung oder von Säule zu Säule variieren, liegt aber bevorzugt stets im angegebenen Bereich. Bevorzugt wird der Sauerstoffgehalt der zumindest einen ersten Schicht der Nukleationsschicht derart gesteuert, dass er in der Säulenstruktur der zumindest einen ersten Schicht der Nukleationsschicht mit steigendem Abstand zum Substrat abnimmt. Die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Nukleationsschicht und insbesondere innerhalb der ersten Schicht aus AlON kann beispielsweise über Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS) gemessen werden.
  • Die zumindest eine erste Schicht aus AlON kann die Säulen der Säulenstruktur so dicht gepackt aufweisen, dass sich eine quasi durchgängige AlON-Schicht bildet. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die zumindest eine erste Schicht auf einer dem Substrat zugewandten Seite zusammenhängend ausgebildet sein kann und auf einer dem Substrat abgewandten Seite sich vom Substrat weg erstreckende Säulen aufweist. Die dem Substrat zugewandte Seite kann beispielsweise als durchgängige, also lückenlose oder überwiegend lückenlose, Schicht ausgebildet sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass die dem Substrat zugewandte Seite der zumindest einen ersten Schicht aus AlON Lücken, beispielsweise durch Lufteinschlüsse, aufweist. Liegt die zumindest eine erste Schicht aus AlON auf der dem Substrat zugewandten Seite durchgängig oder zumindest quasi durchgängig vor, sind die einzelnen Säulen bevorzugt nur durch Korngrenzen voneinander getrennt. Diese stammen daher, dass die zumindest eine erste Schicht in Form von einzelnen Inseln aufzuwachsen beginnt, die entlang der Substratoberfläche aufeinander zuwachsen und aneinander stoßen, während sich die Säulen vom Substrat weg erstreckend ausbilden.
  • Die Säulen der zumindest einen ersten Schicht aus AlON weisen eine Defektdichte von typischerweise größer als 109cm–2 auf. Die Kristalldefekte werden maßgeblich durch Stufenversetzungen gebildet, wobei auch ein geringer Anteil Schraubenversetzungen möglich sein kann. Typischerweise teilt sich die Art der Kristalldefekte bei der hier beschriebenen Nukleationsschicht mit einem Verhältnis von größer oder gleich 1:5 bis kleiner gleich 1:100 in Schrauben- und Stufenversetzungen auf. Im Vergleich zu bekannten Nukleationsschichten kann bei der hier beschriebenen Nukleationsschicht und insbesondere bei der zumindest einen ersten Schicht aus AlON der Anteil der Schraubenversetzungen an den Kristalldefekten im Vergleich zu den Stufenversetzungen sehr gering gehalten werden. Dies ist insbesondere deswegen von Vorteil, da sich Stufenversetzungen im Vergleich zu Schraubenversetzungen beispielsweise durch eine auf der Nukleationsschicht aufgebrachte SiN-Schicht beheben lassen, also sich nicht in die nachfolgenden Halbleiterschichten fortsetzen. Eine solche SiN-Schicht wird üblicherweise als zusammenhängende Schicht aufgebracht, in der eine Vielzahl von Öffnungen ausgebildet ist, in denen die darunter liegende Schicht als Ankeimflächen dient.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Säulen jeweils einen Durchmesser von größer oder gleich 5 nm und kleiner oder gleich 200 nm auf. Bevorzugt können die Säulen einen Durchmesser von größer oder gleich 10 nm und besonders bevorzugt von größer oder gleich 20 nm aufweisen. Weiterhin können die Säulen bevorzugt einen Durchmesser von kleiner oder gleich 100 nm und besonders bevorzugt von kleiner oder gleich 50 nm aufweisen. Insbesondere kann der Durchmesser größer oder gleich 20 nm und kleiner oder gleich 50 nm sein. Die Säulen können weiterhin eine Höhe von größer oder gleich 0,5 nm und kleiner oder gleich 50 nm aufweisen. Die Höhe der Säulen kann dabei vorzugsweise nur einen Teil der Gesamthöhe der zumindest einen ersten Schicht aus AlON ausmachen, die beispielsweise größer oder gleich 1 nm und kleiner oder gleich 200 nm sein kann. Die Gesamthöhe der zumindest einen ersten Schicht aus AlON kann bevorzugt größer oder gleich 5 nm und besonders bevorzugt größer oder gleich 10 nm sein. Die Gesamthöhe der zumindest einen ersten Schicht aus AlON kann weiterhin bevorzugt kleiner oder gleich 100 nm und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 50 nm sein. Insbesondere kann die Gesamthöhe größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 50 nm sein. Insbesondere können sich die Säulen mit zunehmendem Abstand vom Substrat verjüngen. Die Abmessungen der einzelnen Säulen, also deren Höhe und/oder deren Durchmesser kann in Wachstumsrichtung und/oder von Säule zu Säule variieren.
  • Die Kombination aus einer hohen Dichte an Kristalldefekten in der zumindest einen Schicht aus AlON mit der Säulenstruktur, die spezifische Defektart sowie die Anordnung der Säulen führt in der Charakterisierung der Nukleationsschicht mittels hoch aufgelöster Röntgenbeugung in der dem Fachmann bekannten XRD-Rocking-Kurve beziehungsweise einem Omega-Scan zur Ausbildung eines so genannten Korrelationspeaks, wie beispielsweise in der Druckschrift T. Metzger et al., Phys. Status Solidi A 162, 529, 1997 beschrieben ist. Der Nachweis eines Korrelationspeaks in einer AlON-basierten Schicht ist ein eindeutiges Anzeichen dafür, dass die betreffende AlON-Schicht eine Säulenstruktur im Sinne der vorliegenden Erfindung aufweist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Nukleationsschicht zumindest eine zweite Schicht auf der ersten Schicht aus AlON auf. Die zumindest eine zweite Schicht kann bevorzugt AlN oder ein auf GaN basierendes Material aufweisen. Insbesondere kann die zumindest eine zweite Schicht die erste Schicht derart bedecken, dass die zweite Schicht der Säulenstruktur der zumindest einen ersten Schicht aus AlON folgt oder dass die zweite Schicht die Säulenstruktur der ersten Schicht überdeckt. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass mehrere weitere Schichten in Form von mehreren zweiten Schichten auf der zumindest einen ersten Schicht aufgebracht werden. Die mehreren zweiten Schichten können gleiche oder unterschiedliche Materialien aufweisen und auch alternierend und/oder mehrfach wiederholt abgeschieden werden. Der Schichtenstapel aus der zumindest einen ersten Schicht aus AlON und der zumindest einen zweiten Schicht oder einer Mehrzahl von zweiten Schichten dient dann als Ganzes als Nukleationsschicht des Epitaxiesubstrats für das Wachstum von weiteren auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial basierten Halbleiterschichten. Die Abscheidung der zumindest einen oder auch mehreren zweiten Schichten kann im gleichen Prozess wie die Abscheidung der zumindest einen ersten Schicht aus AlON mit der Säulenstruktur erfolgen. Alternativ hierzu kann die zumindest eine zweite Schicht oder können die mehreren zweiten Schichten in einem oder mehreren separaten Prozessen abgeschieden werden. Die Abscheidetechnologie für die zumindest eine zweite Schicht oder die mehreren zweiten Schichten kann die gleiche sein wie für die zumindest eine erste Schicht aus AlON mit der Säulenstruktur oder eine andere. Bevorzugt wird zumindest eine zweite Schicht, bevorzugt aus AlN oder einem GaN basierenden Material auf der zumindest einen Schicht aus AlON mittels Sputtern aufgebracht.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird unmittelbar nach der Fertigstellung der Nukleationsschicht eine weitere Schicht auf dieser aufgebracht, ohne dass ein Temperschritt nötig ist. Die weitere Schicht kann beispielsweise eine Schicht der auf dem Epitaxiesubstrat auszuwachsenden Halbleiterschichtenfolge aus dem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, eine Pufferschicht oder eine SiN-Schicht sein. Bei bekannten Niedertemperatur-Nukleationsschichten sind hingegen Temperschritte unmittelbar nach dem Aufbringen einer Nukleationsschicht notwendig, um eine Rekristallisation der Nukleationsschicht zu erreichen.
  • Erst durch die Rekristallisation können im Stand der Technik geeignete Oberflächen beziehungsweise geeignete Kristallflächen zum Aufwachsen weiterer Halbleiterschichten bereit gestellt werden, was bei der hier beschrieben Nukleationsschicht jedoch nicht erforderlich ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Epitaxiesubstrat auf der Nukleationsschicht eine Pufferschicht, beispielsweise aus einem GaN-basierenden Material, auf. Die Pufferschicht kann beispielsweise zur Überformung der Nukleationsschicht und zur Ausbildung einer Zwischenschicht zwischen der Nukleationsschicht und der darauf aufzubringenden Halbleiterschichtenfolge bilden. Insbesondere kann die Pufferschicht bei einer Temperatur von mehr als 1000°C aufgebracht werden. Wie bereits weiter oben erwähnt bildet eine Halbleiterschicht, die bei einer Temperatur von mehr als etwa 1000°C aufgebracht wird, keine Nukleationsschicht mehr.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Epitaxiesubstrat auf der Nukleationsschicht oder gegebenenfalls auf einer Pufferschicht über der Nukleationsschicht eine SiN-Schicht auf. Die SiN-Schicht kann beispielsweise in einem In-situ-Verfahren abgeschieden werden und flächig über der Nukleationsschicht mit Öffnungen ausgebildet sein, in denen die darunter liegende Halbleiterschicht freiliegt und Ankeimpunkte für eine weitere Halbleiterschicht bildet. Wie bereits weiter oben beschrieben ist, können durch eine solche In-situ-abgeschiedene SiN-Schicht Stufenversetzungen, die in der Nukleationsschicht oder gegebenenfalls in einer Pufferschicht vorhanden sind, zumindest teilweise behoben werden.
  • Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird das Prozessfenster bezüglich Schichtdicke und Temperatur der Nukleationsschicht und insbesondere zumindest einen ersten Schicht aus AlON mit der Säulenstruktur im Vergleich zu Niedertemperatur-Nukleationsschichten wesentlich verbessert. Dies kann auf das Angebot von Sauerstoff während des Aufbringens der Nukleationsschicht und insbesondere der zumindest einen ersten Schicht aus AlON mit der Säulenstruktur zurückgeführt werden. Der Sauerstoff kann insbesondere zu einer Wechselwirkung mit der Oberfläche des Substrats, beispielsweise eines Saphirsubstrats, führen, wodurch eine unerwünschte Terminierung der Substratoberfläche verhindert werden kann. Hierdurch ergibt sich ein Vorteil gegenüber herkömmlichen AlN-Nukleationsschichten und/oder GaN-Nukleationsschichten. Die Folge hieraus ist, dass die Materialqualität der später aufgewachsenen, epitaktisch abgeschiedenen Halbleiterschichtenfolge, beispielsweise eines optoelektronischen Halbleiterchips, verbessert ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Ergebnisse reproduzierbar sind.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein optoelektronischer Halbleiterchip ein hier beschriebenes Epitaxiesubstrat auf. Auf dem Epitaxiesubstrat wird eine Halbleiterschichtenfolge basierend auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial aufgebracht, die eine aktive Schicht aufweist, die im Betrieb des Halbleiterchips Licht erzeugen oder detektieren kann. Die Halbleiterschichtenfolge kann insbesondere mittels eines MOVPE-Verfahrens aufgebracht werden.
  • Insbesondere kann der optoelektronische Halbleiterchip als Licht emittierender Halbleiterchip oder als Photodiodenchip ausgebildet sein. Die Halbleiterschichtenfolge kann als aktiven Bereich beispielsweise einen herkömmlichen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, eine Einfach-Quantentopfstruktur (SQW-Struktur) oder eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW-Struktur) aufweisen. Die Halbleiterschichtenfolge kann neben dem aktiven Bereich weitere funktionelle Schichten und funktionelle Bereiche umfassen, etwa p- oder n-dotierte Ladungsträgertransportschichten, undotierte oder p- oder n-dotierte Confinement-, Cladding- oder Wellenleiterschichten, Barriereschichten, Planarisierungsschichten, Pufferschichten, Schutzschichten und/oder Elektroden sowie Kombinationen daraus aufweisen. Die hier beschriebenen Strukturen, die den aktiven Bereich oder die weiteren funktionellen Schichten und Bereiche betreffen, sind dem Fachmann insbesondere hinsichtlich Aufbau, Funktion und Struktur bekannt und werden von daher an dieser Stelle nicht näher erläutert.
  • Der Aufwachsprozess kann insbesondere im Waferverbund stattfinden. Mit anderen Worten wird das Substrat des Epitaxiesubstrats in Form eines Wafers bereitgestellt, auf den großflächig die Nukleationsschicht und darüber die Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden. Das Epitaxiesubstrat mit der aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge kann in einem weiteren Verfahrensschritt in einzelne Halbleiterchips vereinzelt werden, wobei durch die Vereinzelung die Seitenflächen der Halbleiterchips gebildet werden können.
  • Weiterhin kann die Halbleiterschichtenfolge vor dem Vereinzeln auf ein Trägersubstrat übertragen werden und zumindest das Substrat des Epitaxiesubstrat kann gedünnt werden, also zumindest teilweise oder ganz entfernt werden.
  • Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Epitaxiesubstrat für ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel,
  • 2 bis 4 Messungen an Nukleationsschichten gemäß weiteren Ausführungsbeispielen,
  • 5 und 6 Epitaxiesubstrate gemäß weiteren Ausführungsbeispielen und
  • 7 einen optoelektronischen Halbleiterchip mit einem Epitaxiesubstrat gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
  • In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Epitaxiesubstrat 11 gezeigt.
  • Das Epitaxiesubstrat 11 ist als Aufwachssubstrat für eine Halbleiterschichtenfolge, beispielsweise einen optoelektronischen Halbleiterchip, vorgesehen und ausgebildet. Hierzu weist das Epitaxiesubstrat 11 ein Substrat 1 auf, das im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Saphir-Substrat, insbesondere ein Saphir-Wafer, ist. Alternativ hierzu kann das Substrat 1 auch beispielsweise ein SiC-Substrat oder ein Siliziumsubstrat sein. Auf der Oberfläche 10 des Substrats 1 ist eine Nukleationsschicht 2 aufgebracht, die im gezeigten Ausführungsbeispiel durch zumindest eine erste Schicht 21 aus AlON gebildet ist.
  • Zur Herstellung des Epitaxiesubstrats 11 wird das Substrat 1 bereitgestellt. Vor dem Aufbringen der Nukleationsschicht kann die Oberfläche 10 noch gereinigt werden. Dies kann beispielsweise in einer MOVPE-Anlage in einem Desorptionsschritt bei circa 1080°C unter reiner Wasserstoffatmosphäre erfolgen. Ein solcher Reinigungsschritt kann typischerweise etwa 5 min. dauern. Anschließend wird die Temperatur des Substrats 1 auf eine Temperatur von größer oder gleich 700°C und kleiner oder gleich 1000°C abgesenkt. Beispielsweise hat sich eine Temperatur von 850°C für die Aufbringung der Nukleationsschicht 2 mittels eines MOVPE-Verfahrens als vorteilhaft erwiesen.
  • Zum Abscheiden der zumindest einen ersten Schicht 21 der Nukleationsschicht 2 werden dem Reaktor, in dem sich das Substrat 1 bei einer Temperatur von größer oder gleich 700°C und kleiner oder gleich 1000°C befindet, Trimethylaluminium und Diethylaluminiumetoxid in einem gewünschten und gezielt gewählten Mol-Verhältnis unter Zugabe von NH3 geleitet. Eine besonders geeignete Aufwachstemperatur kann beispielsweise 850°C sein. Auf der Oberfläche 10 des Substrats 1 bildet sich dadurch die zumindest eine erste Schicht 21 aus AlON mit einer Säulenstruktur. Die erste Schicht 21 weist dabei eine dem Substrat zugewandte Seite auf, die zusammenhängend und zumindest quasi durchgängig ausgebildet ist, während die dem Substrat 1 abgewandte Seite der zumindest einen ersten Schicht 21 die Säulenstruktur mit sich vom Substrat 1 weg erstreckenden Säulen 210 aufweist. Es hat sich gezeigt, dass während einer Aufwachszeit von etwa 25 min. bei der vorab beschriebenen Temperatur und den vorab beschriebenen Gasquellen sich eine AlON-Schicht 21 mit einer Säulenstruktur und einer Höhe von etwa 15 nm ausbildet.
  • Alternativ oder zusätzlich zum beschriebenen Verfahren kann beispielsweise auch eine Gasquelle basierend auf N2 und/oder H2 eingesetzt werden, die mit O2 durchmischt ist. Es ist auch möglich Wasser als Sauerstoffquelle über einen H2O-Bubbler zuzuführen. Weiterhin ist es auch möglich, dass beispielsweise die Oberfläche 10 des Substrats 1 durch ein O2-Plasma vorkonditioniert wird. Dadurch wird eine Sauerstoff-Terminierung der Substratoberfläche 10 erreicht, die auch unter Verwendung von sauerstofflosen Gasquellen zu einem Wachstum von Aluminiumoxinitrid speziell an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 1 und der darüber aufwachsenden Nukleationsschicht 2 führt. Weiterhin ist es auch möglich, auf der Substratoberfläche 10 vor dem Aufbringen der Nukleationsschicht 2 und insbesondere der zumindest einen Schicht 21 aus AlON Aluminiumoxid beispielsweise mittels Atomlagenabscheidung aufzubringen, wodurch ebenfalls die Formation von AlON begünstigt wird.
  • Durch eine gezielte Einstellung oder Variation der Aufwachsparameter kann insbesondere eine Säulenstruktur mit Säulen mit einem Durchmesser von größer oder gleich 5 nm und kleiner gleich 200 nm und einer Höhe von 0,5 nm und kleiner oder gleich 50 nm erzeugt werden, wobei die Abmessungen der einzelnen Säulen in Wachstumsrichtung und/oder von Säule zu Säule variieren können. Bevorzugt weisen die Säulen einen Durchmesser von größer oder gleich 10 nm und kleiner oder gleich 100 nm und besonders bevorzugt von größer oder gleich 20 nm und kleiner oder gleich 50 nm auf. Insbesondere können sich die Säulen 210 mit zunehmendem Abstand vom Substrat 1 verjüngen. Die Sauerstoffkonzentration innerhalb der zumindest einen ersten Schicht 21 aus AlON und bevorzugt innerhalb der Säulen 210 liegt bevorzugt bei größer oder gleich 0,1% und kleiner oder gleich 30% und kann in Wachstumsrichtung und/oder von Säule zu Säule variieren. Beispielsweise durch eine Absenkung des oder der eingesetzten sauerstoffhaltigen Gasquellen während des Aufwachsens der zumindest einen ersten Schicht 21 kann eine Abnahme der Sauerstoffkonzentration mit zunehmender Entfernung vom Substrat 1 erreicht werden.
  • Die Säulen 210 weisen typische Defektdichten von größer 109 cm–2, wobei die Kristalldefekte maßgeblich durch Stufenversetzungen gebildet werden. Es wurde festgestellt, dass sich die Kristalldefekte mit einem Verhältnis von 1:5 bis 1:100 in Schrauben- und Stufenversetzungen aufteilen.
  • In 2 ist eine Rasterkraftmikroskopie-Messung (AFM: „atomic force microscopy“) des Höhenprofils einer Nukleationsschicht 2 gebildet durch eine vorab beschriebene erste Schicht 21 aus AlON mit einer Säulenstruktur gezeigt, die mittels des vorab beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde, wobei 2 die Variation der Höhe ΔH in Nanometern um einen mittleren Höhenwert entlang eines Ausschnitts mit der Länge L = 2 µm zeigt. Als Substrat 1 wurde ein 6-Zoll-Saphirsubstrat mit einer Dicke von 1 mm und einer 0001-Orientierung mit 0,3° Misscut in Richtung der kristallographischen m-Ebene verwendet. Die aufgebrachte Nukleationsschicht hatte eine Höhe von etwa 17 nm mit Säulen, die eine Höhe von 0,5 nm bis 2 nm aufwiesen. In der AFM-Messung ist die mit den Säulen überzogene Oberfläche der Nukleationsschicht leicht erkennbar.
  • In 3 sind zwei Messungen einer solchen Nukleationsschicht an der 002-Ebene von AlN gezeigt, die mittels Röntgendefraktion (XRD) durchgeführt wurden. Die Messung 301 ist dabei eine Messung mit einer so genannten Rocking-Curve-Optik, während die Messung 302 mit einer so genannten Triple-Axis-Optik und daher mit einer verbesserten Winkelauflösung aber einer geringeren Intensität durchgeführt wurde. Insbesondere aus der Messung 302 ergibt sich der typische Korrelationspeak mit einer Halbwertsbreite von weniger als 25 arcsec.
  • In 4 zeigt die Kurve 401 einen so genannten W-2Q-Scan mit einer Rocking-Curve-Optik, wobei der Peak 403 der 002-Ebene von AlN und der Peak 404 der 006-Ebene von Saphir entspricht. Die Kurve 402 ist eine Simulation einer 17 nm dicken AlN-Schicht, für die eine Gitterkonstante c von 5,01262 nm und eine zu 96,1% relaxierte Struktur angenommen wurde.
  • In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Epitaxiesubstrat 12 gezeigt, das im Vergleich zum Epitaxiesubstrat 11 der 1 eine Nukleationsschicht 2 aufweist, die auf der zumindest einen ersten Schicht 21 aus AlON mit der Säulenstruktur zumindest eine zweite Schicht 22 aufweist. Die zumindest eine zweite Schicht 22, die in einem gleichen Prozess oder zu einem separaten Prozess wie die erste Schicht 21 abgeschieden werden kann, weist im gezeigten Ausführungsbeispiel AlN auf. Bevorzugt wird die zweite Schicht 22 mittels Sputtern auf der ersten Schicht 21 aufgebracht. Die zweite Schicht 22 bedeckt dabei die erste Schicht 21 und führt zumindest teilweise die Säulenstruktur der ersten Schicht 21 fort. Alternativ hierzu kann es auch möglich sein, dass die zumindest eine zweite Schicht 22 die erste Schicht 21 derart bedeckt, dass die Säulenstruktur der ersten Schicht 21 planarisiert ist. Das Abscheiden der zumindest einen zweiten Schicht 22 erfolgt bevorzugt bei einer ähnlichen Temperatur wie das Aufwachsen der ersten Schicht 21, insbesondere bei einer Temperatur von größer oder gleich 700°C und kleiner oder gleich 1000°C.
  • Weiterhin ist es auch möglich, dass eine Mehrzahl von zweiten Schichten auf der zumindest einen ersten Schicht 21 aus AlON mit der Säulenstruktur aufgebracht wird. Die zusätzlichen Schichten können auch alternierend oder mehrfach wiederholt abgeschieden werden, wobei der gesamte Schichtenstapel aus der zumindest einen ersten Schicht 21 und den weiteren zweiten Schichten 22 die Nukleationsschicht 2 bildet.
  • In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Epitaxiesubstrat 13 gezeigt, das im Vergleich zum Epitaxiesubstrat 11 der 1 auf der Nukleationsschicht 2 eine Pufferschicht 3, im gezeigten Ausführungsbeispiel aus undotiertem GaN, aufweist. Die Säulenstruktur der zumindest einen ersten Schicht 21 aus AlON wird mittels der Pufferschicht 3 bei einer Temperatur überwachsen, die bei mehr als 1000°C und damit um etwa 150°C über der Aufwachstemperatur der Nukleationsschicht 2 liegt. Zur Defektreduktion wird über der Pufferschicht 3 eine Schicht 4 aus einem In-situ-abgeschieden SiN aufgebracht. Die SiN-Schicht 4 weist typischerweise Öffnungen (nicht gezeigt) auf, in denen die darunter frei gelegte Pufferschicht 3 Ankeimbereiche für eine darauf aufgebrachte Halbleiterschichtenfolge bilden. Alternativ hierzu kann es auch möglich sein, dass eine SiN-Schicht direkt auf der Nukleationsschicht 2 aufgebracht wird.
  • In 7 ist ein Ausführungsbeispiel für einen optoelektronischen Halbleiterchip 100 gezeigt, der rein beispielhaft das Epitaxiesubstrat 13 des Ausführungsbeispiels der 6 aufweist. Alternativ hierzu kann das Epitaxiesubstrat auch durch eines der weiteren vorab beschriebenen Epitaxiesubstrate 11, 12 gebildet werden. Auf dem Epitaxiesubstrat 13 ist eine Halbleiterschichtenfolge 5 aus einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial mittels eines MOVPE-Verfahrens aufgebracht, das eine aktive Schicht 6 zur Abstrahlung oder Detektion von Licht aufweist. Dementsprechend ist der optoelektronische Halbleiterchip 100 als lichtemittierender Halbleiterchip oder als Fotodiodenchip ausgebildet.
  • Über beispielhaft gezeigte elektrische Kontakte 7 können die Halbleiterschichtenfolge 5 und insbesondere der aktive Bereich 6 kontaktiert werden. Die Halbleiterschichtenfolge 5 und der aktive Bereich 6 können beispielsweise wie im allgemeinen Teil beschrieben ausgeführt werden.
  • Durch die Nukleationsschicht 2 der hier beschriebenen Epitaxiesubstrate 11, 12, 13, die bei höheren Temperaturen als bekannte Niedertemperatur-Nukleationsschichten aufgebracht werden kann, können schwer zu kontrollierende und lange Temperaturrampen vermieden werden, die im Stand der Technik erforderlich sind, um die Temperatur zwischen dem Aufbringschritt für die Nukleationsschicht und den davor und dem danach durchgeführten Verfahrensschritten anzupassen. Hierdurch kann das Prozessfenster bezüglich Schichtdicke und Temperatur der hier beschriebenen AlON-Säulenstruktur als Nukleationsschicht im Vergleich zu Niedertemperatur-Nukleationsschichten wesentlich verbessert werden. Der Sauerstoff, der beim Aufwachsen der zumindest einen ersten Schicht 21 der Nukleationsschicht 2 eingesetzt wird, führt zu einer Wechselwirkung mit der Substratoberfläche, beispielsweise im Falle eines Saphirsubstrats mit der Saphiroberfläche, die eine unerwünschte Terminierung der Saphiroberfläche verhindert. Als Folge hiervon kann die Materialqualität der später epitaktisch aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge basierend auf ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial verbessert werden.
  • Die in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele und Merkmale können auch miteinander kombiniert werden. Zusätzlich oder alternativ zu den in den Ausführungsbeispielen gezeigten Merkmalen können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Epitaxiesubstrate, die Herstellungsverfahren für diese sowie der optoelektronische Halbleiterchip auch weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 6692568 B2 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • T. Metzger et al., Phys. Status Solidi A 162, 529, 1997 [0023]

Claims (15)

  1. Epitaxiesubstrat (11, 12, 13) für ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial mit einer Nukleationsschicht (2) direkt auf einem Substrat (1), wobei die Nukleationsschicht (2) zumindest eine erste Schicht (21) aus AlON mit einer Säulenstruktur aufweist.
  2. Epitaxiesubstrat (11, 12, 13) nach Anspruch 1, wobei die erste Schicht (21) auf einer dem Substrat (1) zugewandten Seite zusammenhängend ausgebildet ist und auf einer dem Substrat (1) abgewandten Seite sich vom Substrat (1) weg erstreckende Säulen (210) aufweist.
  3. Epitaxiesubstrat (11, 12, 13) nach Anspruch 2, wobei die Säulen (210) auf der dem Substrat (1) zugewandten Seite der ersten Schicht (21) durch Korngrenzen voneinander getrennt sind.
  4. Epitaxiesubstrat (11, 12, 13) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Säulen (210) eine Defektdichte von größer als 109 cm–2 aufweisen.
  5. Epitaxiesubstrat (11, 12, 13) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Säulen (210) jeweils einen Durchmesser von größer oder gleich 5 nm und kleiner oder gleich 200 nm und eine Höhe von größer oder gleich 0,5 nm und kleiner oder gleich 50 nm aufweisen.
  6. Epitaxiesubstrat (11, 12, 13) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Säulenstruktur einen Sauerstoffgehalt von größer oder gleich 0,1% und kleiner oder gleich 30% aufweist.
  7. Epitaxiesubstrat (11, 12, 13) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Säulenstruktur einen Sauerstoffgehalt aufweist, der mit steigendem Abstand zum Substrat (1) abnimmt.
  8. Epitaxiesubstrat (11, 12, 13) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Nukleationsschicht (2) zumindest eine zweite Schicht (22) auf der ersten Schicht (21) aufweist, die AlN oder ein auf GaN basierenden Material aufweist.
  9. Epitaxiesubstrat (11, 12, 13) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf der Nukleationsschicht (2) eine Pufferschicht (3) aus einem auf GaN basierenden Material und/oder eine SiN-Schicht (4) aufgebracht ist.
  10. Epitaxiesubstrat (11, 12, 13) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Substrat (1) ein Saphirsubstrat, ein Siliziumsubstrat oder ein SiC-Substrat ist.
  11. Optoelektronischer Halbleiterchip (100) mit einem Epitaxiesubstrat (11, 12, 13) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, auf dem eine Halbleiterschichtenfolge (5) basierend auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial mit einer aktiven Schicht (6) aufgebracht ist, die im Betrieb des Halbleiterchips (100) Licht erzeugen oder detektieren kann.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Epitaxiesubstrats (11, 12, 13) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit den Schritten: A) Bereitstellen eines Substrats (1), B) Aufbringen einer Nukleationsschicht (2) mit zumindest einer ersten Schicht (21) aus AlON, die eine Säulenstruktur aufweist, direkt auf dem Substrat (1) bei einer Temperatur von größer oder gleich 700°C und kleiner oder gleich 1000°C.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die erste Schicht (21) im Verfahrensschritt B mit einem oder mehreren der folgenden Teilschritte aufgebracht wird: – Zuführen einer Gasquelle, die O2 enthält; – Zuführen einer metallorganischen Gasquelle, die auf Aluminium basiert und die Sauerstoff enthält; – Terminierung der der Nukleationsschicht (2) zugewandten Oberfläche (10) des Substrats (1) mit Sauerstoff; – Aufbringen von Aluminiumoxid auf die der Nukleationsschicht (2) zugewandten Oberfläche (10) des Substrats (1).
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem auf der ersten Schicht (21) zumindest eine zweite Schicht (22) der Nukleationsschicht (2) aus AlN oder einem auf GaN basierenden Material aufgebracht, insbesondere aufgesputtert, wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem unmittelbar nach der Fertigstellung der Nukleationsschicht (2) eine weitere Schicht (3, 4) ohne einen dazwischen durchgeführten Temperschritt aufgebracht wird.
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