DE102012204551A1

DE102012204551A1 - Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristallen, und III-N-Einkristall

Info

Publication number: DE102012204551A1
Application number: DE201210204551
Authority: DE
Inventors: Marit Gründer; Frank Brunner; Eberhard Richter; Frank Habel; Markus Weyers
Original assignee: Freiberger Compound Materials GmbH
Current assignee: Freiberger Compound Materials GmbH
Priority date: 2012-03-21
Filing date: 2012-03-21
Publication date: 2013-09-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von III-N-Templaten und ferner die Herstellung von III-N-Einkristallen, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet. Durch das Einstellen bestimmter Parameter während des Kristallwachstums können III-N-Template erhalten werden, die der auf dem Fremdsubstrat gewachsenen Kristallschicht Eigenschaften verleihen, die es ermöglichen, rissfreie III-N-Einkristalle, in Form von Templates oder sogar mit großen III-N-Schichtdicken, zu erhalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Verbundsubstraten (im Folgenden ”Templat(e)” genannt) und zur Herstellung von III-N-Einkristallen. Die erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen die Herstellung von rissfreien III-N-Einkristallen, die insbesondere für die Verwendung als Wafer geeignet sind. III bedeutet mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In.
III-N-Einkristalle sind von großer technischer Bedeutung. Auf diesen Materialien beruhen eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen und optisch-elektrischer Bauelemente wie Leistungsbauelemente, Hochfrequenzbauelemente, lichtemittierende Dioden und Laser. Bei der Herstellung solcher Vorrichtungen wird häufig epitaxiales Kristallwachstum auf einem Startsubstrat durchgeführt, oder es wird auf einem Startsubstrat zunächst ein Templat gebildet, worauf nachfolgend durch weiteres epitaxiales Wachstum III-N-Schichten bzw. -Einkristallkörper gewachsen werden können. Als Startsubstrate können III-N-Substrate oder insbesondere Fremdsubstrate verwendet werden. Bei Verwendung von Fremdsubstraten kann es während des Wachstums aufgrund der Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Startsubstrat und aufgewachsener Schicht zu Verspannungen und Rissen innerhalb einer III-N-Schicht kommen. Dickere Schichten bis zu 1 mm können auch unter Zuhilfenahme von zum Teil strukturierten Zwischenschichten aus WSiN, TiN oder SiO₂ gewachsen werden und im Anschluss als freistehende Schichten abgelöst werden, die typischerweise plastische, konkav verbogene c-Gitterebenen und Oberflächen aufweisen. Insbesondere wenn in einem solchen Verfahren auf eine Zwischenschicht verzichtet wird, können an und oberhalb der Grenzfläche zwischen Startsubstrat und aufgewachsener III-N-Schicht vertikale und horizontale Mikrorisse entstehen, die sich mit der Zeit ausdehnen und zum Bruch der GaN-Schicht bei oder nach dem Abkühlungsprozess führen können.
In Journal of Crystal Growth 289, 445–449 (2006) wird von Napierala et al. diesbezüglich ein Verfahren zur Herstellung von GaN/Saphirtemplaten beschrieben, auf dem rissfreie dünne GaN-Schichten aufgewachsen werden, indem die intrinsische Verspannung im Galliumnitrid durch das Einstellen der Dichte von Galliumnitrid-Kristalliten kontrolliert werden kann, sodass Verspannungen in den dünnen Schichten durch Verbiegen freigesetzt werden können. Jedoch können dicke Schichten in diesem Verfahren den Druck während des Wachsens nicht kompensieren und neigen trotz der Verbiegung zu Brüchen. Richter et al. (E. Richter, U. Zeimer, S. Hagedorn, M. Wagner, F. Brunner, M. Weyers, G. Tränkle, Journal of Crystal Growth 312, [2010] 2537) beschreiben ein Verfahren zur Herstellung von GaN-Kristallen über Hydridgasphasenepitaxie (HVPE), bei dem GaN-Schichten von 2,6 mm rissfrei gewachsen werden können über die Einstellung des partiellen Galliumchloriddrucks, wobei die erhaltenen GaN-Schichten auf der Oberfläche eine Vielzahl von V-Pits aufweisen. Ein mit diesem Prozess gewachsener Kristall besitzt eine Dicke von 5,8 mm, allerdings weist er längere Risse auf. In Journal of Crystal Growth 298, 202–206 (2007) zeigen Brunner et al. den Einfluss der Schichtdicke auf die Krümmung der aufwachsenden III-N-Schicht auf. Es wird das Wachstum von GaN und AlGaN, ggf. mit InGaN-Komplianz-Schicht, auf GaN-Saphir-Templat untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass für GaN und AlGaN mit 2,8% und 7,6% Al-Molanteil die konkave Krümmung während des Wachstums zunimmt. Ferner nimmt die konkave Krümmung dabei mit aufsteigendem Aluminiumgehalt zu.
Zusätzlich wird der Einfluss einer Si-dotierten Indium-Gallium-Nitridschicht auf das Wachstum einer AlGaN-Schicht mit 7,6% Al-Molanteil auf eine GaN-Pufferschicht gezeigt. Dazu wird einerseits eine AlGaN-Schicht mit 7,6% Al-Molanteil direkt auf eine GaN-Pufferschicht aufgewachsen und andererseits eine Si-dotierten Indium-Gallium-Nitridschicht als Zwischenschicht auf eine GaN-Pufferschicht, wobei im Anschluss eine AlGaN-Schicht mit 7,6% Al-Molanteil auf die Zwischenschicht aufgewachsen wird. So wurde gezeigt, dass das Auftragen einer Si-dotierten Indium-Gallium-Nitridschicht auf eine GaN-Pufferschicht zu kompressiver Verspannung in dem Kristall führt. Während dieses Verfahrens wird die zunächst konkave Krümmung der GaN-Pufferschicht im Zuge einer Temperaturabsenkung in eine leicht konvexe Krümmung überführt, und durch Aufwachsen einer In_0,06GaN-Schicht innerhalb desselben Verfahrens nimmt diese konvexe Krümmung im weiteren Wachstum zu. Bei der anschließenden Auftragung einer Al_0,076GaN-Schicht auf dieser In_0,06GaN-Schicht wird schließlich eine konkave Krümmung erreicht, die vergleichsweise geringer ausfällt als die resultierende Krümmung ohne In_0,06GaN-Zwischenschicht.
E. Richter, M. Gründer, B. Schineller, F. Brunner, U. Zeimer, C. Netzel, M. Weyers und G. Tränkle (Phys. Status Solidi C 8, No. 5 (2011) 1450) beschreiben ein Verfahren zur Herstellung von GaN-Kristallen mittels HVPE, wobei eine Dicke bis zu 6,3 mm erreicht werden kann. Diese Kristalle zeigen schräg geneigte Seitenwände und V-Pits auf der Oberfläche. Des Weiteren zeigt sich im Kristallgitter eine konkave Krümmung von ca. 5,4 m und eine Versetzungsdichte von 6 × 10^–5 cm^–2. US 2009/0092815 A1 beschreibt die Herstellung von Aluminiumnitridkristallen zwischen 1 und 2 mm Dicke sowie Aluminiumnitridschichten mit 5 mm Dicke. Diese Schichten werden als rissfrei beschrieben und können herangezogen werden, um farblose und optisch durchsichtige Wafer zu schneiden mit mehr als 90% nutzbarer Fläche für die Anwendung in der Bauteilherstellung oder Bauelementherstellung.
Den Verfahren des vorbeschriebenen Stands der Technik ist gemein, dass nach Wachstum und Abkühlung III-N-Kristalle erhalten werden, die starker extrinsischer und intrinsischer Verspannung ausgesetzt sind, wodurch Risse oder andere Materialfehler entstehen können, die die Materialqualität und die Verarbeitbarkeit zu III-N-Substraten einschränken.
Daher war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Herstellungsverfahren für Template und III-N-Kristalle bereitzustellen, die es ermöglichen, III-N-Kristalle unter Bedingungen zu wachsen, die den Einschluss von Materialfehlern minimiert und die Kristallqualität sowie die Verarbeitbarkeit verbessert.
Diese Aufgabe wird durch die Verfahren gemäß der Ansprüche 1, 2 und 8 gelöst. Weiterbildungen sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben. Weiterhin stellt die Erfindung an Fremdsubstrat anhaftende III-N-Einkristalle gemäß Anspruch 16 bereit, mit entsprechenden Weiterbildungen der Unteransprüche dazu. Nützliche Verwendungen sind in den Ansprüchen 19 und 20 definiert.
Erfindungsgemäß wurde überraschend gefunden, dass III-N-Einkristalle rissfrei und unter kontrollierbarer kompressiver Verspannung gewachsen werden können, wenn auf einem Substrat Kristallwachstum bei einer ersten Kristallwachstumstemperatur durchgeführt wird und anschließend die zuvor angewandte Temperatur auf eine zweite Temperatur verändert wird, und wenn dann im Bereich der der gegenüber der ersten Kristallwachstumstemperatur veränderten zweiten Temperatur weiteres Kristallwachstum erfolgt. Wie die angewandte Temperatur verändert wird hängt von der Art des für den Prozess gewählten Substrats ab. Hat das Substrat einen höheren thermischen Ausdehungskoeffizienten als der zu wachsende III-N-Einkristall, so ist die anzuwendende Veränderung eine Temperaturabsenkung unterhalb der zuvor angewandten ersten Temperatur. Hat das Substrat hingegen einen niedrigeren thermischen Ausdehungskoeffizienten als der zu wachsende III-N-Einkristall, so ist die anzuwendende Veränderung eine Temperaturerhöhung oberhalb der zuvor angewandten ersten Temperatur.
Dadurch wird es möglich, dass erfindungsgemäß in einem Templat (mit Substrat und III-N-Kristallschicht) die als wichtig erkannten, kritischen Parameter Krümmung und Verspannung des Templats – jeweils alternativ oder kombiniert – richtig und gezielt beeinflusst werden kann für vorteilhafte Eigenschaften des Templats und dessen Weiterverwendung, wodurch vor allem einer späteren Rissbildung unter Verwendung des erfindungemäßen Templats wirksam entgegengewirkt werden kann. Zu den erfindungsgemäß relevanten und für die Weiterverwendung des Templats günstigen Einstellungen der Krümmung gehört es, gemäß alternativer technischer Lösungen dafür zu sorgen, (i) dass eine später noch näher spezifizierte Krümmungsdifferenz (K_a – K_e) in mindestens einer Wachstumsphase bei der Templatherstellung auf den Bereich ≥ 0 und insbesondere > 0 eingehalten wird, oder (ii) dass das hergestellte Templat im Zustand auf Wachstumstemperatur im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ (konvex) gekrümmt ist. Erfindungsgemäß können Template hergestellt werden, die unter epitaxialen Kristallwachstumsbedingungen keine oder annähernd keine Krümmung oder eine negative Krümmung und damit nur eine geringe intrinsische Spannung aufweisen, was sich als Ausgangssituation für die Weiterverarbeitung als vorteilhaft herausgestellt hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren, und in verstärktem Maße durch Beachtung der bevorzugten Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens, erlaubt entsprechend eine vorteilhafte Einstellung der Verspannung in der III-N-Kristallschicht des Templats mit einem Wert ε_xx bei Raumtemperatur von ε_xx ≤ 0 und insbesondere von ε_xx < 0, und darüber hinaus noch in besonders passenden negativen von ε_xx-Werten, was sich auf die erfindungsgemäße Weiterverwendung des Templats sehr günstig auswirkt und somit ein alternatives relevantes Produktmerkmal des erfindungsgemäßen Templats darstellt.
Herkömmliche Verfahren haben bisher ein ganz anderes Verhalten gezeigt. In herkömmlichen Verfahren wird ein Kristallwachstum ebenfalls bei einer bestimmten gewünschten Temperatur durchgeführt. Diese Temperatur entspricht einer als geeignet angesehenen Temperatur für das jeweilige III-N-Material. Selbst wenn es vorkommen kann, dass in einem Aufwachsverfahren die Temperatur gesenkt wird, um ein anderes III-N-Material aufzuwachsen, so wird dennoch zu Beginn oder während des Wachstums bei dieser bestimmten, neuen Temperatur die Temperatur nicht weiter abgesenkt, sondern konstant gehalten. In einem solchen herkömmlichen Fall steigt aber typischerweise eine gegebene Krümmung der Wachstumsoberfläche, ob konvex oder konkav, während des Wachstums stetig an. Überraschend kann das erfindungsgemäße Verfahren so gestaltet werden, dass während einer bestimmten Wachstumsphase der III-N-Materialschicht des Templats eine gegebene Krümmung trotz des weiteren Wachstums einer gegebenen der III-N-Materialschicht abnimmt. Ferner wird bei herkömmlichen Verfahren infolge einer stetig ansteigenden Krümmung eine entsprechend steigende intrinsische – typischerweise tensile – Spannung innerhalb des Kristalls aufgebaut, die gegebenenfalls bereits während des weiteren Wachstums, spätestens bei Abkühlung von der epitaxialen Wachstumstemperatur, zu Mikrorissen bis hin zu Brüchen führen kann. Demgegenüber kann beim Verfahren der vorliegenden Erfindung eine kontrolliert eingestellte intrinsische – typischerweise kompressive – Spannung beim epitaxialen Kristallwachstum gering gehalten werden, so dass während des fortgesetzten Wachstums und selbst beim Abkühlen Risse vermieden werden können, also rissfreies Wachstum von III-N-Kristallen erreicht werden kann.
In einem solchen III-N-Kristall wird ferner vermieden, dass Risse entstehen, die die Materialqualität und/oder die Verarbeitbarkeit zu III-N-Substraten einschränkt.
„Rissfreier III-N-Kristall” gemäß der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass er auf einer Fläche von 15 cm² (entsprechend 3 mm Randausschluss bei 2 Zoll) bei Ansicht von jeweils 30 mm² Bildausschnitten mit einem optischen Mikroskop keinen Riss aufweist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner die mikroskopische Eigenschaft der Deformation ε_xx der Gitterkonstante a beeinflusst werden. Die Deformation ε_XX ist dabei folgendermaßen definiert:
wobei a die tatsächliche Gitterkonstante im Kristall und a₀ die theoretisch ideale Gitterkonstante darstellt, wobei für a₀ typischerweise ein Literatur-Wert von 3.1892 ± 0.00004 Å angenommen werden kann (nach V. Darakchieva, B. Monemar, A. Usui, M. Saenger, M. Schubert, Journal of Crystal Growth 310 (2008) 959–965).
Demgemäß kann durch Aufwachsen von Kristallschichten unter extrinsischem Stress auf die tatsächlich vorliegenden Kristallgitterkonstanten Einfluss genommen werden. Beispielsweise kann durch extrinsischen Stress eine kompressive Spannung auf den wachsenden Kristall übertragen werden, wodurch Gitterkonstanten in der Wachstumsebene gegenüber Wachstum ohne Stress verkürzt werden.
Dadurch baut sich innerhalb des Kristalls steuerbar und gezielt intrinsischer Stress auf, der die zuvor genannten Eigenschaften Deformation und Verspannung bei fortgesetztem oder nachfolgendem Kristallwachstum günstig beeinflusst. Solche Template eignen sich hervorragend als Ausgangsprodukte für das Aufwachsen weiterer epitaxialer Schichten des III-N-Systems, insbesondere zum Herstellen von dicken III-N-Schichten und -Boules (Massivkristalle). Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass III-N-Kristalle von Templaten der vorliegenden Erfindung einen ε_xx-Wert von < 0 aufweisen.
Ohne die Erfindung einzuschränken, soll im Folgenden eine Zusammenstellung von Punkten angegeben werden, die Gegenstände, Weiterbildungen und besondere Merkmale der vorliegenden Erfindung beschreiben:

1. Verfahren zur Herstellung eines Templats, welches ein Substrat und mindestens eine III-N-Kristallschicht umfasst, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus Al, Ga und In, bedeutet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Substrats, b) Durchführen von Wachstum eines kristallinen III-N-Materials auf dem Substrat bei einer ersten Kristallwachstumstemperatur, c) Verändern der Temperatur auf eine zweite Temperatur, die gegenüber der ersten Kristallwachstumstemperatur verändert ist, bei der jedoch Kristallwachstum stattfinden kann, d) Fortsetzen von Kristallwachstum zum Bilden von III-N-Kristall in einem gegenüber der ersten Wachstumstemperatur veränderten Bereich, ohne in diesem Schritt d) In zuzugeben mit der Maßgabe, dass die zweite Temperatur im Schritt c) niedriger ist als die erste Temperatur und im Schritt d) das Kristallwachstum unterhalb der ersten Wachstumstemperatur fortgesetzt wird, wenn das verwendete Substrat einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der bis Schritt d) zu wachsende III-N-Kristall, oder dass die zweite Temperatur im Schritt c) höher ist als die erste Temperatur und im Schritt d) das Kristallwachstum oberhalb der ersten Wachstumstemperatur fortgesetzt wird, wenn das verwendete Substrat einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der bis Schritt d) zu wachsende III-N-Kristall.
2. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Substrats, b) Durchführen von Wachstum eines kristallinen III-N-Materials auf dem Substrat bei einer ersten Kristallwachstumstemperatur, c) Verändern der Temperatur auf eine zweite Temperatur, die gegenüber drer ersten Kristallwachstumstemperatur verändert ist, bei der jedoch Kristallwachstum stattfinden kann, d) Fortsetzen von Kristallwachstum zum Bilden von III-N-Kristall in einem gegenüber der ersten Wachstumstemperatur veränderten Bereich, ohne in diesem Schritt d) In zuzugeben, mit der Maßgabe, dass die zweite Temperatur im Schritt c) niedriger ist als die erste Temperatur und im Schritt d) das Kristallwachstum unterhalb der ersten Wachstumstemperatur fortgesetzt wird, wenn das verwendete Substrat einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der bis Schritt d) zu wachsende III-N-Kristall, oder dass die zweite Temperatur im Schritt c) höher ist als die erste Temperatur und im Schritt d) das Kristallwachstum oberhalb der ersten Wachstumstemperatur fortgesetzt wird, wenn das verwendete Substrat einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der bis Schritt d) zu wachsende III-N-Kristall, e) zusätzliches epitaxiales Kristallwachstum zum Bilden von III-N-Kristall bei einer Kristallwachstumstemperatur, die unabhängig von den genannten ersten und zweiten Temperaturen gewählt werden kann, wobei gegebenenfalls in diesem Schritt e) In zugegeben werden kann, und f) optional Trennen von gebildeten III-N-Einkristall und Substrat.
3. Verfahren gemäß Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Schritten b) bis d) MOVPE als Aufwachsmethode verwendet wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Veränderung, d. h. Absenkung oder Erhöhung der Temperatur eine Temperaturdifferenz ΔT (T₁ – T₂) im Reaktor festlegt, deren Betrag bei mindestens 10°C, vorzugsweise bei mindestens 20°C, bevorzugt im Bereich von 20–50°C, weiter bevorzugt im Bereich von 25–40°C und besonders bevorzugt bei 30°C liegt.
5. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wachstumstemperatur im Reaktor im Bereich von 1000–1100°C, bevorzugt bei 1020–1080°C, mehr bevorzugt bei etwa 1040°C liegt.
6. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) III-N-Kristallite vertikal und lateral wachsen.
7. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Temperatur zum Zeitpunkt der einsetzenden Kristallitkoaleszenz verändert wird, und dass im Anschluss an die besagte Temperaturveränderung auf den koaleszierten III-N-Kristalliten ein epitaxiales Kristallwachstum folgt, je nachdem wie festegelegt im Bereich unterhalb oder oberhalb der ersten Wachstumstemperatur.
8. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Temperatur abgesenkt wird auf eine zweite Temperatur im Reaktor im Bereich von 950–1050°C, bevorzugt bei 990–1030°C, mehr bevorzugt bei etwa 1010°C.
9. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt d) die Wachstumstemperatur unterhalb der ersten Wachstumstemperatur im Bereich von 950–1075°C, bevorzugt von 975–1050°C, mehr bevorzugt von 990 bis 1030°C liegt.
10. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Temperaturabsenkung die Wachstumstemperatur für das weitere Wachstum in Schritt d) im wesentlichen konstant gehalten wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Wachstumsphase im Schritt d), d. h. beim Bilden einer III-N-Materialschicht, bei Wachstumstemperatur eine gegebene Krümmung der Wachstumsoberfläche, kontinuierlich oder intermittierend, abnimmt.
12. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) eine konkave Krümmung der Wachstumsoberfläche verursacht wird und dass in Schritt c) durch Verändern der Temperatur die Wachstumsoberfläche die konkave Krümmung, im Vergleich zu der Krümmung vor dem Verändern, geringer wird oder die Krümmung beseitigt wird.
13. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsdifferenz (K_a – K_e) des Templats zu Beginn (Krümmungswert K_a) und am Ende (Krümmungswert K_e) von Schritt d) ein positives Vorzeichen aufweist.
14. Verfahren gemäß dem vorangehenden Punkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsdifferenz (K_a – K_e) mindestens 5 km^–1, weiter bevorzugt mindestens 10 km^–1 beträgt.
15. Verfahren gemäß dem vorangehenden Punkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsdifferenz (K_a – K_e) höchstens 50 km^–1, bevorzugt 20 km^–1 beträgt.
16. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss von Schritt d) das Substrat nicht oder im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist, vorzugsweise die Krümmung (K_e) im Bereich bis maximal 30 km^–1 liegt.
17. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss von Schritt d) eine III-N-Schicht mit einer Dicke im Bereich bis 25 μm, bevorzugt 0,1–10 μm, weiter bevorzugt von 2–5 μm auf das Substrat aufgetragen worden ist.
18. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus Al, Ga und In, bedeutet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: aa) Bereitstellen eines Templats, welches ein Fremdsubstrat und mindestens eine III-N-Kristallschicht umfasst, wobei das Templat im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums nicht oder im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist, bb) Durchführen eines epitaxialen Kristallwachstums von III-N-Kristall bei einer Kristallwachstumstemperatur, bei der das Templat nicht oder im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist, wobei vorzugsweise in den Schritten aa) und bb) kein In zugegeben wird, und cc) optional zusätzliches epitaxiales Kristallwachstum zum Bilden von III-N-Kristall bei einer Kristallwachstumstemperatur, die unabhängig von der genannten Kristallwachstumstemperatur des Schritts bb) gewählt werden kann, wobei gegebenenfalls in diesem Schritt cc) In zugegeben werden kann, und dd) ferner optional Trennen von III-N-Einkristall und Fremdsubstrat.
19. Verfahren gemäß Punkt 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss von Schritt bb) im die Bedingung von „im wesentlichen nicht gekrümmt” oder „negativ gekrümmt” bedeutet, dass die Krümmung (K_e) im Bereich bis maximal 30 km^–1 liegt.
20. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt a) bzw. aa) verwendete Substrat ein Fremdsubstrat mit höherem thermischen Ausdehungskoeffizienten als der zu wachsende III-N-Kristall, ausgewählt aus der LiAlO₂ und Saphir umfassenden Gruppe, bevorzugt Saphir ist.
21. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt a) bzw. aa) verwendete Substrat ein Fremdsubstrat mit niedrigerem thermischen Ausdehungskoeffizienten als der zu wachsende III-N-Kristall, ausgewählt aus der SiC und Si umfassenden Gruppe.
22. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Startsubstrat in Schritt a) bzw. aa) eine polierte Oberfläche aufweist.
23. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Startsubstrat in Schritt a) bzw. aa) eine durch Lithographie oder nasschemisches Ätzen oder trockenchemisches Ätzen (z. B. ICP) strukturierte Oberfläche aufweist.
24. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Kristallwachstum mindestens im Schritt e) des Punktes 2 oder im optionalen Schrittes cc) des Punktes 18, gegebenenfalls in allen Kristallwachstumsschritten, mittels HVPE durchgeführt wird.
25. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der Punkte 2 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des epitaxialen Wachstums III-N-Einkristalle gewachsen werden mit Schichtdicken von mindestens 0,5 mm, bevorzugt von mindestens 1 mm, weiter bevorzugt von mindestens 5 mm, insbesondere von mindestens 7 mm und am meisten bevorzugt von mindestens 1 cm.
26. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine und gegebenenfalls weitere GaN-, AlN-, AlGaN-, InN-, InGaN-, AlInN- oder AlInGaN-Schicht(en) zur Herstellung entsprechend dickerer III-N-Schichten oder III-N-Einkristalle aufgebracht werden.
27. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die III-N-Kristallschicht auf dem Substrat sowie der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristall aus demselben III-N Material bestehen.
28. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass bei der III-N-Kristallschicht auf dem Substrat sowie dem darauf epitaxial aufgewachsenen III-N-Kristall für die III-Komponente kein Austausch vorgenommen wurde.
29. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die III-N-Kristallschicht auf dem Substrat sowie der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristall jeweils ein binäres System bilden.
30. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der Punkte 2 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das optionale Trennen von III-N-Einkristall und Substrat durch Selbstablösung geschieht, vorzugsweise beim Abkühlen von einer Kristallwachstumstemperatur.
31. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der Punkte 2 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennen von III-N-Einkristall und Substrat durch Abschleifen, Absägen oder einen lift-off-Prozess geschieht.
32. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat und die mindestens eine III-N-Kristallschicht so gebildet sind, dass die III-N-Kristallschichtoberfläche bei Raumtemperatur eine konvexe Krümmung aufweist.
33. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums einen Wert ε_xx < 0 aufweist.
34. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall bei Raumtemperatur einen Radius im Bereich von –4 bis –6 m aufweist.
35. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall bei Raumtemperatur eine kompressive Spannung von σ_xx < –0,70 GPa aufweist.
36. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall, wenn als Substrat Saphir einer Dicke von 430 μm und als III-N-Kristallschicht des Templats GaN einer Dicke von 3,5 μm verwendet wird, bei Raumtemperatur eine Krümmung K_T < –170 km^–1, bevorzugt im Bereich von –170 > K_T > –250 km^–1 aufweist, wobei bei Verwendung oder Einstellung anderer Schichtdicken der Krümmungswert in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtdicken analog der Stoney-Gleichung im folgenden Bereich liegt: K_T(d_GaN; d_Saphir) = K_T(3,5μm; 430 μm) × (430 μm/d_Saphir)² × (d_GaN/3,5 μm).
37. Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall bei Raumtemperatur einen Wert ε_xx < –0,002, bevorzugt einen Wert ε_xx im Bereich von –0,002 bis –0,004 aufweist.
38. Verfahren zur Herstellung von III-N-Kristallwafern, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems ausgesucht aus der Gruppe von Al, Ga und In bedeutet und das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Durchführung eines Verfahrens gemäß den Punkten 2 bis 37 zum Bilden eines III-N-Einkristalls, und b) Vereinzeln des Einkristalls zum Bilden von Wafern, gegebenenfalls einer Vielzahl von Wafern.
39. III-N-Einkristall anhaftend an einem Fremdsubstrat, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall bei Raumtemperatur einen ε_XX-Wert < 0 aufweist, bevorzugt der ε_XX-Wert im Bereich ε_XX < –0,002 liegt.
40. III-N-Einkristall gemäß Punkt 39, dadurch gekennzeichnet, dass ε_xx im Bereich von –0,002 bis –0,004 liegt.
41. III-N-Einkristall gemäß Punkt 39 oder 40, in Form eines Templats mit einer Schichtdicke des III-N-Einkristalls im Bereich bis maximal 25 μm, bevorzugt von 0,1 bis 10 μm, weiter bevorzugt von 2 bis 5 μm.
42. III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall bei Raumtemperatur eine kompressive Spannung von σ_xx < –0,70 GPa aufweist.
43. III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Fremdsubstrat aus der aus SiC, Si, LiAlO₂ und Saphir bestehenden Gruppe ausgewählt ist, bevorzugt Saphir umfasst.
44. III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte mit Saphir als Fremdsubstrat und GaN als III-N-Einkristall, dadurch gekennzeichnet, dass wenn der Saphir eine Dicke von 430 μm und die GaN-Schicht eine Dicke von 3,5 μm aufweist, bei Raumtemperatur eine Krümmung K_T < –170 km^–1, bevorzugt im Bereich von –170 > K_T > –250 km^–1 vorliegt, wobei beim Vorliegen anderer Schichtdicken des Saphir und/oder der GaN-Schicht der Krümmungswert in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtdicken analog der Stoney-Gleichung im folgenden Bereich liegt: K_T(d_GaN; d_Saphir) = K_T(3,5μm; 430 μm) × (430 μm/d_Saphir)² × (d_GaN/3,5 μm).
45. III-N-Einkristall gemäß einem der Punkte 39 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass III = Ga bedeutet und der Kristall in Wachstumsrichtung eine Gitterkonstante im Bereich von 0,31829 nm < a < 0,318926 nm aufweist.
46. III-N-Einkristall gemäß einem der Punkte 39 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall nach einem der Verfahren gemäß der Punkte 2 bis 39 hergestellt wurde.
47. Verwendung eines III-N-Einkristalls oder Templats gemäß einem der Punkte 39 bis 46 zur Herstellung von dickeren III-N-Schichten oder III-N-Kristallbouls bzw. -Massivkristallen, die optional danach in einzelne III-N-Wafer vereinzelt werden.
48. Verwendung eines III-N-Einkristalls oder Templats gemäß einem der Punkte 39 bis 46 zur Herstellung von Halbleiterbauelementen oder elektronischen und optoelektronischen Bauelementen.
49. Verwendung gemäß Punkt 48 zur Herstellung von Leistungsbauelementen, Hochfrequenzbauelementen, lichtemittierenden Dioden und Laser.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt schematisch unterschiedliche Stufen des Aufwachsprozesses zum Bilden eines III-N-Templats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt die Veränderung der Krümmung der Wachstumsoberfläche je nach Verfahrensstufe (die Ziffern 1 bis 6 entsprechen dabei den Stufen (i) bis (vi) der 1) und jeweils angewandter Temperatur, am Beispiel der Abscheidung von GaN auf Saphir gemäß einer möglichen Ausführungsform;
3 veranschaulicht zeitliche Temperatur-, Reflexions- und Krümmungsverläufe beim beispielhaften Wachstum von GaN auf Saphir gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
4 veranschaulicht zeitliche Temperatur-, Reflexions- und Krümmungsverläufe beim beispielhaften Wachstum von GaN auf Si oder SiC gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
5 veranschaulicht zeitliche Temperatur-, Reflexions- und Krümmungsverläufe bei herkömmlichem Wachstum von GaN auf Saphir.
Ohne die vorliegende Erfindung damit einzuschränken, soll die nachfolgend detaillierte Beschreibung der Figuren, Gegenstände, Weiterbildungen und besondere Merkmale die Erfindung anschaulich darstellen und besondere Ausführungsformen detaillierter beschreiben.
Im Verfahren zur Herstellung von III-N-Startsubstraten wurde überraschenderweise gefunden, dass Template, die ein Fremdsubstrat und mindestens eine III-N Kristallschicht umfassen, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus Al, Ga und In, bedeutet, hergestellt werden können, die das Wachstum von III-N-Einkristallen mit herausragenden Eigenschaften erlauben.
In einer ersten Ausführungsform wird für die Herstellung eines solchen Templats zunächst ein Substrat bereitgestellt. Ein geeignetes Substrat kann ausgewählt werden aus einer Gruppe, die aus einem Homo- oder Hetero-Startsubstrat, einem Startsubstrat mit einer Schicht von aufgewachsenen III-N-Kristalliten, sowie einem Ausgangssubstrat mit darauf gebildeten Strukturen, zum Beispiel bestimmter vorbereiteter III-N-Strukturen und/oder Maskenstrukturen, besteht. Gemäß einer in 1 gezeigten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Bereitstellen des Substrats mit Schritten (i) bis (iii). Demgemäß wird zunächst ein Startsubstrat (i) bereitgestellt, welches einem Desorptionsschritt (ii) und einem Nukleationsschritt (iii) unterzogen wird.
Für die Bereitstellung eines Startsubstrats eignet sich bevorzugt ein Fremdsubstrat, das zum Beispiel aus SiC, Silicium, LiAlO₂ oder Saphir, besonders bevorzugt aus Saphir gebildet ist. Weiter bevorzugt wird ein c-planes Saphirsubstrat verwendet mit einer Verkippung nach (1–100) oder (11–20) um 0,1–0,5° und einseitiger epi-ready-Politur und polierter und/oder vorzugsweise geläppter Rückseite. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Startsubstrat eine durch Lithographie oder nasschemische oder trockenchemisches Ätzen (z. B. ICP) strukturierte Oberfläche aufweist. Die Verwendung eines Fremdsubstrats als Startsubstrat ist von besonderem Nutzen, da das Material des Fremdsubstrats und das aufgewachsene III-N-Material unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, sodass bei Temperaturveränderungen eine Krümmung des Substrats, im speziellen der Wachstumsoberfläche, bewirkt wird und sich dies als Ausgangssituation für das erfindungsgemäße Verfahren besonders eignet.
Jedoch kann für die vorliegende Erfindung auch als Startsubstrat ein Homo-Substrat verwendet werden, wobei in diesem Fall eine Krümmung zum Beispiel durch den Temperaturgradienten innerhalb des Startsubstrates eingebracht werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass ein Homo-Startsubstrat verwendet wird, auf dem nachfolgend eine – ggf. strukturierte – Fremdmaskierschicht aufgebracht wird, die bei Temperaturveränderung zu einer Veränderung der Krümmung des Substrates führen kann.
Eine weitere Möglichkeit der Bereitstellung eines geeigneten Startsubstrats kann die Bildung von Zwischenschichten oder Zwischenstrukturen, die eine spätere Ablösung vom Ausgangssubstrat unterstützen können, und/oder die Bildung eines sogenannten GaN-„Nanorasens” einschließen, bei dem man von einem Substrat mit darauf gebildeter GaN-Komplianz-Sschicht mit Nanosäulenstruktur ausgeht wie beispielsweise in WO 2006035212 A1 , WO 2008096168 A1 , WO 2008087452 A1 , EP 2136390 A2 und WO 2007107757 A2 beschrieben.
Das Startsubstrat kann gegebenenfalls weiter vorbehandelt werden. Wie in 1 (ii) dargestellt, wird bevorzugt mit dem bereitgestellten Startsubstrat ein Desorptionsschritt durchgeführt. In diesem Desorptionsschritt können zum Beispiel Kohlenwasserstoffreste, aber auch andere flüchtige Verunreinigungen vom Startsubstrat oder strukturiertem oder anders vorbehandeltem Substrat entfernt werden. Während des Desorptionsschritts wird das Startsubstrat im Verfahren auf eine erhöhte Temperatur aufgeheizt, vorzugsweise auf eine Temperatur von 1.000 bis 1.200°C, weiter bevorzugt auf eine Temperatur von 1.050 bis 1.150°C, z. B. ungefähr um 1.090°C. Dabei wird das Startsubstrat aufgrund des Temperaturgradienten innerhalb des Substrats, etwa aufgrund einer gerichteten Aufheizung (typischerweise z. B. durch ein Heizen von der Substratseite des Substrathalters bzw. der -ablage aus, die der Wachstumsoberfläche entgegengesetzt ist), einer Verbiegung unterworfen, typischerweise mit einer negativen Verbiegung (konkav) bezüglich der Oberfläche, auf der nachfolgend das III-N-Material aufgetragen wird (vgl. 1). Der Desorptionsschritt kann ferner eine Nitridierung mit Ammoniak umfassen. Ein weiterer optionaler Schritt besteht darin, dass nach erfolgter Desorption die Temperatur abgesenkt wird, beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 400 und 600°C, bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 450 und 550°C. Während dieses Abkühlens nimmt die – bevorzugt konkave – Krümmung wieder ab, zum Beispiel auf das Niveau wie zu Beginn des Aufheizens zum Desorptionsschritt.
Das Bereitstellen und Vorbehandeln eines Substrates im Verfahren zur Herstellung eines Templates der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise ferner einen Nukleationsschritt umfassen, bei dem kristallines III-N-Material, speziell winzige III-N-Kristallite auf das Startsubstrat aufgewachsen werden.
Dieser Schritt ist schematisch in 1 (iii) dargestellt. Das kristalline III-N-Material, speziell die III-N-Kristallite dienen als Kristallisationskeime im späteren Kristallwachstumsverfahrensschritt. III-N-Kristallite weisen Größen von z. B. 1 bis 40 nm mit unregelmäßigen Formen auf, liegen in der Regel ungeordnet auf dem Startsubstrat vor und bilden geeigneterweise zunächst eine nicht zusammenhängende Nukleationsschicht. Dieser Nukleationsschritt findet typischerweise bei Temperaturen von 400 bis 600°C statt, vorzugsweise von 450 bis 550°C statt und mehr bevorzugt von 500 bis 540°C. Weil die Temperatur für eine Nukleation üblicherweise niedriger liegt als diejenige für eine optionale vorangehende Desorption wird die Krümmung aus thermischen Gründen von Schritt (ii) zu (iii) abnehmen. Der Zustand des bereitgestellten Substrats im Schritt (iii) ist daher üblicherweise durch eine relativ geringe Krümmung oder sogar (wie in 1 schematisch dargestellt) eine fehlende Krümmung zu beschreiben.
Nach dem Bereitstellen eines Substrates, ggf. mit den oben beschriebenen optionalen Maßnahmen wie einem Nukleationsschritt, d. h. nach dem erfindungsgemäßen Schritt a) findet dann eine Temperaturerhöhung statt, auf eine Temperatur, die Kristallwachstum zum Bilden einer III-Schicht ermöglicht. Nach der Definition der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur in diesem Stadium als „erste” Kristallwachstumstemperatur des erfindungsgemäßen Schritts b) bezeichnet; diese Definition gilt unabhängig davon, und schließt entsprechend nicht aus, dass zuvor eine erhöhte Prozesstemperatur angewandt wurde, zum Beispiel um Vorbehandlungen, Strukturierungen oder andere Prozessierungen des Ausgangssubstrats durchzuführen. Während des Kristallwachstums bei einer solchen ersten Wachstumstemperatur, gegebenenfalls bereits während des für die Temperaturerhöhung durchgeführten Hochheizens, findet üblicherweise ein Umordnungsprozess von III-N-Keimen statt, wobei kleinere Keime zugunsten größerer Keime verschwinden, Lücken entstehen (spätere Leerstellen oder Voids an der Grenzfläche) und sich der hexagonale Habitus der Keime, der vorher im Nukleationsschritt lediglich angedeutet ist, nun merklich verstärkt. Ein solcher Schritt gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist in 1 (iv) dargestellt. Wie insbesondere in Stufe (iv) von 1 schematisch angedeutet kommt es, infolge Vergrößern oder Koaleszieren der III-N-Keime und im Zuge der sich bildenden Schicht, zu einer Krümmung in Wachstumsrichtung, hier also in einen konkaven Bereich.
Die genannte „erste” Wachstumstemperatur im Reaktor liegt dabei in einem Temperaturbereich, bei dem gute Wachstumsbedingungen der jeweiligen III-N-Materialien vorliegen. Im Falle von GaN liegt diese „erste” Wachstumstemperatur beispielsweise im Bereich von 990–1.090°C, bevorzugt bei von 1.020–1060°C, und weiter bevorzugt bei etwa 1.040°C. Im Falle von AlGaN mit einem Al-Anteil von 30% bis zu 90% liegt diese „erste” Wachstumstemperatur beispielsweise im Bereich von 1.070–1.250°C, bevorzugt bei 1.090–4.130°C, und weiter bevorzugt bei 1.110°C.
Bei dieser ersten Wachstumstemperatur findet ein Wachstum von kristallinem III-N-Material auf dem Substrat statt. Es wachsen III-N-Kristallite vertikal und lateral. Dieses vertikale und laterale Wachstum der III-N-Kristallite ermöglicht es bei ausreichender Kristallisationszeit, dass Koaleszenz der Kristallite eintritt. Während des Kristallwachstums bei der ersten Kristallwachstumstemperatur nimmt die Krümmung des Substrats zu. Die Richtung bzw. das Vorzeichen der Verbiegung/Krümmung wird bezüglich der Oberfläche definiert, auf der nachfolgend das III-N-Material aufgetragen wird. Eine mit der Temperatur zunehmende Krümmung geschieht im Falle der Verwendung eines Fremdsubstrates ohne weiteres aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Fremdsubsart und aufwachsenden III-N-Material. Dabei können die Bedingungen, etwa durch Wahl eines verwendeten Fremdsubstrats in Bezug auf das gebildete III-N-Material typischerweise so gewählt werden, dass dabei eine konkave Krümmung zunimmt.
Im Falle der Verwendung eines Homosubstrates tritt eine Krümmung zum Beispiel aufgrund von Temperaturgradienten innerhalb des Substrates auf.
Erfindungsgemäß wird dann zur gezielten und spezifischen Beeinflussung des weiteren Krümmungsverlaufs des Templats die Wachstumstemperatur verändert, entsprechend dem erfindungsgemäßen Schritt c) dieser Ausführungsform. Entsprechend wird zum Beispiel bei Verwendung von Saphir oder LiAlO₂ als Fremdsubstrat die Temperatur abgesenkt, bei Verwendung von SiC oder Si andererseits wird die Temperatur erhöht. Dies geschieht vorzugsweise bei Beginn oder während der Koaleszenz der wachsenden III-N-Kristallite. Die Temperatur wird jedoch in diesem Schritt maximal nur so weit verändert (d. h. abgesenkt bzw. erhöht), dass weiterhin Kristallwachstum und vorzugsweise epitaxiales Kristallwachstum stattfinden kann. Durch die Temperaturveränderung braucht der Wachstumsprozess nicht unterbrochen werden. Dann findet im Anschluss an die Temperaturänderung auf den koaleszierenden III-N-Kristalliten ein epitaxiales Kristallwachstum in einem zweiten Temperaturbereich statt. Die Veränderung (d. h. Absenkung bzw. Erhöhung) der Temperatur legt eine Temperaturdifferenz ΔT (erste Wachstumstemperatur T1 minus zweite Wachstumstemperatur T2) im Reaktor fest, deren bei mindestens 10°C, vorzugsweise bei mindestens 20°C, bevorzugt im Bereich von 20–50°C, weiter bevorzugt im Bereich von 25–40°C und besonders bevorzugt bei 30°C liegt.
Im Fall des Wachstums von GaN liegt entsprechend eine Temperatur T1 im Reaktor vor, die im Bereich von 990–1.090°C, bevorzugt von 1.020–1060°C, weiter bevorzugt bei etwa 1.040°C liegt.
Dementsprechend liegt die zweite Wachstumstemperatur T2 bei Verwendung von zum Beispiel Saphir oder LiAlO₂ als Fremdsubstrat bei einer gegenüber der konkret gewählten Temperatur T1 erniedrigten T2 im Bereich von 950–1.050°C, bevorzugt von 990–1.030°C, weiter bevorzugt bei etwa 1.010°C; bei Verwendung von SiC oder Si als Fremdsubstrat andererseits liegt die zweite Wachstumstemperatur T2 gegenüber der konkret gewählten Temperatur T1 erhöht im Bereich von 1.030–1.130°C, bevorzugt von 1050–1.110°C, weiter bevorzugt bei etwa 1.060°C.
Im Fall des Wachstums von AlGaN mit einem Aluminiumanteil bis 30% liegt entsprechend eine Temperatur T1 im Reaktor vor, im Bereich von 1.010–1.110°C, bevorzugt von 1.040–1.080°C, weiter bevorzugt von etwa 1.060°C auf. Dementsprechend liegt die zweite Wachstumstemperatur T2 bei Verwendung von zum Beispiel Saphir oder LiAlO₂ als Fremdsubstrat bei einer gegenüber der konkret gewählten Temperatur T1 erniedrigten Temperatur im Bereich von 970–1.070°C, bevorzugt von 1.010–1.050°C, weiter bevorzugt von etwa 1.030°C; bei Verwendung von SiC oder Si als Fremdsubstrat andererseits liegt die zweite Wachstumstemperatur T2 gegenüber der konkret gewählten Temperatur T1 erhöht im Bereich von 1.050–1.150°C, bevorzugt von 1060–1.100°C, weiter bevorzugt bei etwa 1.080°C.
Im Fall des Wachstums von AlGaN mit einem Aluminiumanteil von 30% bis 90% liegt entsprechend eine Temperatur T1 im Reaktor vor, im Bereich von 1.070–1.250°C, bevorzugt von 1.090–1.130°C, weiter bevorzugt bei etwa 1.110°C. Dementsprechend liegt die zweite Wachstumstemperatur T2 bei Verwendung von zum Beispiel Saphir oder LiAlO₂ als Fremdsubstrat bei einer gegenüber der konkret gewählten Temperatur T1 erniedrigten Temperatur im Bereich von 1.040–1.220°C, bevorzugt von 1.060–1.100°C, weiter bevorzugt bei etwa 1.080°C; bei Verwendung von SiC oder Si als Fremdsubstrat andererseits liegt die zweite Wachstumstemperatur T2 gegenüber der konkret gewählten Temperatur T1 erhöht im Bereich von 1.080–1.250°C, bevorzugt von 1090–1.150°C, weiter bevorzugt bei etwa 1.120°C.
Während die Krümmung der kristallinen Wachstumsoberfläche, die beim Wachstum von kristallinem III-N-Material auf dem Substrat bei der ersten Kristallwachstumstemperatur vorlag, durch Verändern der Wachstumstemperatur verringert wird, wurde überraschend gefunden, dass beim Fortsetzen des epitaxialen Kristallwachstums im Bereich der zweiten Wachstumstemperatur – d. h. je nach verwendetem Fremdsubstrat unterhalb oder oberhalb der ersten Kristallwachstumstemperatur – die Krümmung der Wachstumsoberfläche nicht wieder zunimmt, sondern mindestens gleich bleibt, bevorzugt weiter kontinuierlich oder intermittierend abnimmt. In einer bevorzugten Ausführungsform verringert sich, bei veränderter Wachstumstemperatur, beim fortgesetzten Wachstum eine konkave Krümmung der Wachstumsoberfläche. Folglich nimmt im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren die Krümmung trotz Wachstums bei der zweiten Wachstumstemperatur ab. Die zweite Wachstumstemperatur kann im vorbeschriebenen, jedoch gegenüber der ersten Wachstumstemperatur veränderten Bereich variieren, oder sie kann an einer bestimmten Temperatur im veränderten Temperaturbereich konstant gehalten werden.
Bezeichnet man den Krümmungswert zu Beginn des Kristallwachstums bei der zweiten Wachstumstemperatur mit K_a (K_Anfang) und den Krümmungswert zu einem späteren Zeitpunkt und insbesondere gegen Ende des Wachstums der III-N-Schicht des Templats mit K_e (K_Ende), so weist die Krümmungsdifferenz (K_a – K_e) des Templats ein positives Vorzeichen auf. Bevorzugt beträgt K_a – K_e mindestens 5 km^–1, weiter bevorzugt mindestens 10 km^–1. Andererseits sollte diese Krümmungsdifferenz (K_a – K_e) bevorzugt nicht zu groß sein; so sollte sie vorzugsweise nicht größer als 50 km^–1, weiter bevorzugt nicht größer als 20 km^–1 betragen.
Durch Erkennung dieses Verhaltens und der damit verbundenen Zusammenhänge ist es durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung möglich, ein eine erste III-N-Schicht umfassendes Templat herzustellen, das bei epitaxialer Wachstumstemperatur keine oder annähernd keine (im wesentlichen keine) Krümmung aufweist oder negativ gekrümmt ist. Der Ausdruck „annähernd keine” bzw. „im wesentlichen keine” Krümmung ist vorzugsweise so definiert, dass der Krümmungswert (K_e) bei epitaxialer Wachstumstemperatur im Bereich von maximal ±30 km^–1 liegt.
Ohne die vorliegende Erfindung auf eine Theorie festzulegen, wird angenommen, dass in der Phase der Koaleszenz der ersten III-N-Schicht, d. h. dass kurz vor, bei Beginn oder kurz nach der Koaleszenz die Dichte der Keime an der Oberfläche so groß wird, dass eine geschlossene Oberfläche energetisch günstiger ist, wobei durch die stattfindende Ausdehnung der Kristallite in der Wachstumsebene eine tensile Spannung entsteht (1 (iv)). Durch die beschriebene Veränderung der Temperatur, gegebenenfalls bei Vorliegen eines Fremdsubstrats auch durch den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Startsubstrats, werden die koaleszierenden Keime in der Ebene zusammengedrückt, sodass für das nachfolgende III-N-Kristallwachstum ein kompressiv verspanntes Oberflächengitter angeboten wird. Infolge dieser kompressiven Verspannung drückt die aufwachsende III-N-Kristallschicht mit zunehmender Schichtdicke das Fremdsubstrat zurück und bewirkt dadurch eine Abnahme der Krümmung, bevorzugt eine Abnahme der konkaven Krümmung (1 (v)). Dieser Prozess kann bis zum Erreichen einer gewünschten geringen Krümmung oder dem Fehlen jeglicher Krümmung oder sogar dem Generieren einer negativen Krümmung fortgesetzt werden (1 (vi)).
Durch das Fortsetzen des Wachstums bei der zweiten Kristallwachstumstemperatur wird weiteres III-N-Material epitaxial aufgewachsen. Die III-Komponente des III-N-Materials kann nun grundsätzlich, falls gewünscht, variiert werden, allerdings sollte bevorzugt auf weitere Bedingungen geachtet werden, um die günstige Einflussnahme auf das Krümmungsverhalten nicht zu beeinträchtigen. Insbesondere ist das Einbringen von Indium in dieser Phase des Verfahrens mit Nachteilen behaftet und wird daher bevorzugt unterlassen, da das Wachstum indiumhaltiger Materialien spezielle, besonders niedrige Wachstumstemperaturen erfordert, die zu schlechter Kristallqualität bis hin zu Entmischung führen können. In der Phase des Wachstums bei der „zweiten” Wachstumstemperatur wird also bevorzugt auf die Zugabe von In verzichtet.
Ferner ist es bevorzugt, in dieser Phase das Wachstum im Bereich der zweiten Wachstumstemperatur mit III-N-Materialien durchzuführen, die, wenn in dieser Phase überhaupt Aluminium verwendet werden soll, einen Aluminiumgehalt von maximalen 60% aufweisen, wobei ferner der Anteil (in % der III-Komponenten) im III-N-Material an optional vorhandenem Aluminium vorzugsweise höchstens 30%, weiter bevorzugt höchstens 20%, oder nur im Bereich von 10 bis 0% liegt. Andererseits sind interessante Anwendungen mit Aluminiumanteilen von über 30% ebenfalls sinnvoll, zum Beispiel im Bereich von 50 bis 70%. Ein äußerst hoher Aluminiumanteil von mehr als 70% ist hier zwar grundsätzlich möglich, ist aber eher zu vermeiden, da solche Materialien einen isolierenden Charakter haben und sich nicht gut für die Verwendung in opto-elektronischen Bauelementen eignen.
Weiter bevorzugt ist es, dass sich die III-Komponente, ausgehend von den vorangehenden Schritten – etwa bei der Bildung der anfänglichen III-N-Kristallite auf dem Substrat wie oben beschrieben – zum Schritt des Wachstums im Bereich der zweiten Wachstumstemperatur relativ wenig oder besser überhaupt nicht ändert; zum Beispiel ist wünschenswert, dass, wenn die III-Komponente überhaupt variiert wird, die Veränderung der III-Komponente maximal 10% beträgt. In einer bestimmten Ausführungsform wird die III-Komponenten in dieser Phase des Wachstums im Bereich der zweiten Wachstumstemperatur nicht verändert, und bevorzugt ist das III-N-Material GaN.
In der Phase das Wachstums im Bereich der zweiten Wachstumstemperatur können Schichtdicken geeigneterweise von mindestens 0,1 μm, zum Beispiel im Bereich von 0,1–10 μm, bevorzugt von 2–5 μm auf dem Substrat aufgetragen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden alle oben in der ersten Ausführungsform beschriebenen Kristallwachstumsschritte, einschließlich des gegebenenfalls durchgeführten Nukleationsschritts, über metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE, Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) durchgeführt. Alternativ oder in Kombination können die zuvor beschriebenen Kristallwachstumsschritte jedoch auch über HVPE durchgeführt werden.
Mit dem Abschluss des Kristallwachstums bei der zweiten Wachstumstemperatur wird erfindungsgemäß ein Templat bereitgestellt. Das so erhaltene Templat weist vorteilhafte Eigenschaften und Merkmale auf, die nachfolgend noch weiter beschrieben werden. Es ist als solches ein interessanter kommerzieller Gegenstand, es kann aber auch direkt anschließend oder alternativ indirekt nach Bereitstellung, Lagerung oder Versenden, als Templat im Rahmen unten beschriebener weiterer Schritte weiter verarbeitet werden.
Ein Templat zur Herstellung von weiterem III-N-Einkristall gemäß der vorliegenden Erfindung weist im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums keine oder annähernd keine Krümmung auf.
Wenn als Substrat Saphir einer Dicke (d_Saphir) von 430 μm und als III-N-Kristallschicht des Templats GaN einer Dicke (d_GaN) von 3,5 μm verwendet oder eingestellt wird, bedeutet die Bedingung „annähernd keine Krümmung” oder „negative Krümmung” bei epitaxialer Kristallwachstumstemperatur, dass das Templat bei Raumtemperatur eine Krümmung K_{T(3,5μm;430μm)} < –170 m^–1, bevorzugt im Bereich von –170 > K_T > –250 km^–1 aufweist (K_T bedeutet dabei die Krümmung der Oberfläche des Templats bei Raumtemperatur), wobei bei Verwendung oder Einstellung anderer Schichtdicken der Krümmungswert in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtdicken analog der folgenden vereinfachten Stoney-Gleichung variieren kann; danach gilt, sofern der Film (d) wesentlich dünner ist als das Substrat (d_Substrat), wobei R = Krümmungsradius und ε_xx = Deformation (strain) 1/R = 6·(d_GaN/d² _Substrat)·ε_xx.
Unter der Annahme einer sehr dünnen Schicht wird ε_xx als konstant angenommen, d. h. wenn sich die Schichtdicken ändern, reagiert das System mit einer Änderung von R (die aus einer Änderung der Krümmung resultierende Änderung von ε_xx wird vernachlässigt). Folglich lassen sich die obigen (teilweise bevorzugten), für den Fall K_{T(3,5μm;430μm)} geltenden Bereiche des Krümmungswerts bei Raumtemperatur wie folgt umrechnen, wenn andere Werte für d_GaN und d_Substrat vorliegen: K_{T(dGaN;dSaphir)} = K_{T(3,5μm;430μm)} × (430 μm/d_Saphir)² × (d_GaN/3,5 μm)
Für ein erfindungsgemäßes Templat bedeutet dies zum Beispiel, dass wenn bei 430 μm Saphir bei der 3,5–4 μm dicken GaN-Schicht eine Krümmung von –250 km^–1 vorliegt, sich bei einem 330 μm Saphir beim selben Prozess eine Krümmung von –425 km^–1 ergibt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Templat bei Raumtemperatur für den Fall d_Saphir = 430 μm und d_GaN = 3,5 μm einen Krümmungsradius in Bereich von –4 m bis –6 m auf.
Eine weitere Möglichkeit, die Produkt- oder Struktureigenschaften des erfindungsgemäß erhaltenen Templats charakteristisch zu beschreiben, ist durch die Angabe der Deformation der Gitterkonstanten oder der Verspannung möglich.
Die Deformation ε_XX ist dabei folgendermaßen definiert:
wobei a die tatsächliche Gitterkonstante im Kristall und a₀ die theoretisch ideale Gitterkonstante darstellt.
Röntgen-Verfahren zur Bestimmung absoluter Gitterkonstanten werden in M. A. Moram and M. E. Vickers, Rep. Prog. Phys. 72 (2009) 036502 detailliert diskutiert. Dabei erfolgt die Bestimmung über das Bragg'sche Gesetz nλ = 2d_hklsinθ zunächst für die Gitterkonstante c aus einem 2Theta-Scan mit Drei-Achsen-Geometrie in symmetrischen Reflexen wie z. B. 004. Die ideale Gitterkonstante nach V. Darakchieva, B. Monemar, A. Usui, M. Saenger, M. Schubert, Journal of Crystal Growth 310 (2008) 959–965) ist c0 = 5.18523 ± 0.00002 Å. Die Bestimmung der Gitterkonstanten a erfolgt dann nach der ebenfalls z. B. in M. A. Moram and M. E. Vickers, Rep. Prog. Phys. 72 (2009) 036502 angegebenen Gleichung
aus asymmetrischen Reflexen hkl wie z. B. 105 im 2Theta-scan. Als ideale Gitterkonstante a0 für unverspanntes GaN wird a0 = 3.18926 ± 0.00004 Å nach V. Darakchieva, B. Monemar, A. Usui, M. Saenger, M. Schubert, Journal of Crystal Growth 310 (2008) 959–965) angenommen.
Zum Hintergrund der Phänomene intrinsische und extrinsische Spannung, u. a. unter Beachtung von Gitterkonstanten, vgl. Hearne et al., Appl. Physics Letters 74, 356–358 (2007).
Ferner können die Eigenschaften auch durch die Verspannung σ_xx angegeben werden, wobei σ_xx = M_f·ε_XX (Hook'sche Formel) wobei M_f das biaxiale Elastizitätsmodul bedeutet.
Die Bestimmung der Verspannung σ_xx ist durch Ramanspektroskopie einfach möglich, z. B. wie in I. Ahmad, M. Holtz, N. N. Faleev, and H. Temkin, J. Appl. Phys. 95, 1692 (2004) beschrieben; dort wird das biaxiale Elastizitätsmodul 362 GPa als Wert aus der Literatur herangezogen, wobei ein sehr ähnlicher Wert von 359 GPa aus J. Shen, S. Johnston, S. Shang, T. Anderson, J. Cryst. Growth 6 (2002) 240 zu entnehmen ist; somit ist ein Wert für das biaxiale Elastizitätsmodul M_f von etwa 360 GPa passend und konsistent.
Ein Templat gemäß der vorliegenden Erfindung weist im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums einen Wert ε_XX ≤ 0 (d. h. einschließlich ε_XX = 0), insbesondere aber von ε_XX < 0 auf.
Dieser Wert lässt sich direkt aus einer in-situ Messung der Krümmung bestimmen.
Ferner weist ein Templat gemäß der vorliegenden Erfindung bei Raumtemperatur eine kompressive Spannung von σ_xx < –0,70 GPa auf. Die Deformation ε_XX des Templats bei Raumtemperatur kann einen Wert von ε_XX < –0,002, bevorzugt einen Wert im Bereich von –0,002 bis –0,004, annehmen.
Eine geeignete Krümmungsmessvorrichtung, die in Verbindung mit einer Anlage zur Gasphasenepitaxie einsetzbar ist, ist zum Beispiel die Krümmungsmessvorrichtung der Laytec AG, Seesener Strasse, Berlin Deutschland (vgl. z. B. DE 10 2005 023 302 A1 und EP 000002299236 A1 ). Diese Krümmungsmessvorrichtungen lassen sich gut mit verfügbaren Anlagen zur Gasphasenepitaxie, wie der MOVPE, HVPE oder MBE (Molecular Beam Epitaxy) kombinieren und ermöglichen zudem eine Messung der Temperatur an der Waferoberfläche.
Demgemäß erhält man nach dem epitaxialen Kristallwachstum im Bereich der zweiten Wachstumstemperatur ein Templat, das aufgrund der oben beschriebenen Eigenschaften dazu geeignet ist, in weiteren epitaxialen Wachstumsschritten Kristalle von besonderer Güte und mit besonderen Merkmalen herzustellen. Das Templat eignet sich somit hervorragend zur Weiterverwendung, kann also als solches bereitgestellt werden, zwischengelagert oder zur Weiterverwendung verschickt, oder kann direkt in einem Gesamtprozess weiterverwendet werden.
So können in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung III-N-Einkristalle hergestellt werden, die dadurch gewonnen werden, dass nach dem Kristallwachstumsschritt bei der zweiten Wachstumstemperatur – ohne oder mit Unterbrechung dazwischen – ein zusätzliches epitaxiales Kristallwachstum auf dem erfindungsgemäß erhaltenen Templat zum Bilden von III-N-Kristall bei einer Kristallwachstumstemperatur durchgeführt wird, die unabhängig von den genannten ersten und zweiten Kristallwachstumstemperaturen gewählt werden kann (entsprechend erfindungsgemäßem Schritt e) dieser Ausführungsform). So ist die Wachstumstemperatur im Schritt e) je nach gewünschtem III-N-Material für die zu bildende epitaxiale Schicht frei wählbar und kann daher in einem Bereich liegen, bei dem gute Wachstumsbedingungen der jeweiligen III-N-Materialien vorliegen.
Auch sonstige Bedingungen des Kristallwachstums im erfindungsgemäßen Schritt e) sind nun frei wählbar. So können III-N-Materialien aufgewachsen werden, deren III-Komponente frei wählbar ist.
Auch kann nun Indium als III-Komponente enthalten sein. Ferner können Materialien verwendet werden, deren Al-Anteil über 60% liegt.
Entsprechend können im erfindungsgemäßem Schritt e) dieser Ausführungsform mindestens eine (ggf. weitere) GaN-, AlN-, AlGaN-, InN-, InGaN-, AlInN- oder AlInGaN-Schicht zur Herstellung entsprechend dickerer III-N-Schichten oder III-N-Einkristalle aufgebracht werden.
Bevorzugt bilden sowohl die III-N-Kristallschicht auf dem Substrat als der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristall ein rein binäres System, z. B. GaN, AlN oder InN, oder die III-N-Kristallschicht auf dem Substrat ist ein rein binäres System, insbesondere GaN, und der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristall ist ein frei wählbares binäres oder ternäres III-N-Material, insbesondere wiederum binäres GaN.
Schritt e) kann sich unmittelbar an Schritt d) anschließen, alternativ kann das Verfahren dazwischen unterbrochen werden. Ferner ist es möglich, die Schritte d) und e) in demselben Reaktor durchzuführen, alternativ den Reaktor zwischen den Schritten zu wechseln. Dies ermöglicht es den III-N-Einkristall über eine unterschiedliche Aufwachsmethode aufzuwachsen, als bei der Herstellung des bereitgestellten Templats verwendet wurde, um für die jeweiligen Schritte optimale Bedingungen zu wählen. So wird das zusätzliche epitaxiale Kristallwachstum auf dem erfindungsgemäß hergestellten Templat bevorzugt durch HVPE durchgeführt. Die vorteilhafte Wahl des Schritts e) unter HVPE-Bedingungen ermöglicht hohe Wachstumsraten und entsprechend das Erreichen dickerer Schichten. Es können aber auch alle Schritte des Verfahrens, welche das gesamte Wachstum der III-N-Schicht betrifft, in einer einzigen Anlage mit einer bestimmten Wachstumstechnik, beispielsweise nur mittels HVPE, durchgeführt werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall vor, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus Al, Ga und In, bedeutet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst, vor:

aa) Bereitstellen eines Templats, welches ein Startsubstrat und mindestens eine III-N-Kristallschicht umfasst, wobei das Startsubstrat und die mindestens eine III-N-Kristallschicht so gebildet sind, dass das Templat im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums nicht oder im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist, und
bb) Durchführen eines epitaxialen Kristallwachstum von III-N-Kristall bei einer Kristallwachstumstemperatur, bei der das Templat nicht oder im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist.

Aus den Gründen, die bereits bei den vorangehenden Ausführungsformen beschrieben wurden, ist es auch hier bevorzugt, in den Schritten aa) und bb) kein In zuzugeben. Falls gewünscht kann optional zusätzliches epitaxiales Kristallwachstum angeschlossen werden zum Bilden von III-N-Kristall bei einer Kristallwachstumstemperatur, die unabhängig von der genannten Kristallwachstumstemperaturen des Schritts bb) gewählt werden kann, wobei gegebenenfalls in diesem Schritt des fortgesetzten Wachstums Indium zugegeben werden kann.
Anschließend ist optional ein Trennen der III-N-Einkristall-Schicht(en) vom Startsubstrat möglich.
Dieser Gegenstand der Erfindung geht von dem alternativen Lösungsprinzip aus, die Gefahr von Rissbildungen durch die in den Schritten aa) und bb) festgelegten Voraussetzungen zu minimieren oder ganz zu unterdrücken.
Zur Bereitstellung eines Templats für Schritt aa) kann zum Beispiel auf die obige Beschreibung zum Bilden des erfindungsgemäßen Templats verwiesen werden.
So kann durch das Einprägen von Gitterdeformation und von kompressiver Spannung als Resultat des erfindungsgemäßen Verfahrens der Zustand des im Schritt aa) bereitgestellten Templats alternativ dadurch definiert werden, dass es bei Wachstumstemperatur einen Wert ε_XX ≤ 0 (d. h. einschließlich ε_XX = 0), insbesondere aber einen ε_XX-Wert von < 0 aufweist, wobei der Wert bevorzugt im Bereich von 0 > ε_XX > –0,0005 liegt. Entsprechend liegt bei Raumtemperatur eine kompressive Spannung von σ_xx < –0,70 GPa vor, und die Deformation ε_XX bei Raumtemperatur des Templats weist demnach einen Wert von ε_XX < –0,002, bevorzugt einen Wert im Bereich von –0,002 bis –0,004 auf.
Das epitaxiale Kristallwachstum von III-N-Kristall gemäß Schritt bb) dieser Ausführungsform kann entsprechend Schritt d) der oben beschriebenen Ausführungsform durchgeführt werden; auf die diesbezüglich entsprechende Beschreibung wird hier explizit Bezug genommen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieses Wachstum mittels HVPE durchgeführt. Insbesondere ist das III-N-Material hier wiederum frei wählbar. Es ist aber bevorzugt, dass die III-N-Kristallschicht auf dem Substrat sowie die darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristallschicht, die nun den III-N-Kristall bildet, aus demselben III-N-Material bestehen, oder dass die Veränderung der III-Komponente geringer als 10% beträgt. Ferner ist es möglich, dass bei der III-N-Kristallschicht auf dem Substrat sowie dem darauf epitaxial aufgewachsenen III-N-Kristall für die III-Komponente kein Materialaustausch vorgenommen wird. Wird kein Fremdsubstrat als Startsubstrat verwendet, sondern ein Homosubstrat, so ergibt sich als weitere mögliche Ausführungsform, das Startsubstrat, die III-N-Kristallschicht auf dem Startsubstrat sowie der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristall aus demselben III-N Material bestehen.
Erfindungsgemäß kann im Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristallen gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen ein epitaxiales Kristallwachstum auf dem bereitgestellten Templat durchgeführt werden, sodass nach Abschluss des epitaxialen Wachstums (Schritt e) bzw. Schritt bb) der beschriebenen Ausführungsformen) III-N-Einkristalle mit Schichtdicken von mindestens 1 mm, bevorzugt von mindestens 5 mm, mehr bevorzugt von mindestens 7 mm und am meisten bevorzugt von mindestens 1 cm erhalten werden.
Nach Beendigung des epitaxialen Kristallwachstums zur Herstellung eines III-N-Einkristalls kann optional der III-N-Einkristall vom Substrat getrennt werden (optionaler Schritt f) bzw. cc)). Dies geschieht in einer bevorzugten Ausführungsform durch Selbstablösung, etwa beim Abkühlen von einer Kristallwachstumstemperatur. In einer weiteren Ausführungsform kann das Trennen von III-N-Einkristall und dem Substrat durch Abschleifen, Absägen oder einen lift-off-Prozess geschehen.
Weist der epitaxial gewachsene III-N-Einkristall eine geeignete Dicke auf, wobei ein sogenannter III-N-Boule oder -Ingot erhalten wird, ist es möglich diesen Einkristall durch geeignete Methoden zum Bilden einer Vielzahl von einzelnen dünnen Scheiben (Wafer) zu vereinzeln. Das Vereinzeln der Einkristalle umfasst gängige Methoden zum Zerschneiden oder Zersägen von III-N-Einkristallen. Die so erhaltenen Wafer eignen sich hervorragend als Basis zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen und Bauelementen, beispielsweise opto-elektronischen oder elektronischen Bauelementen. So eignen sich die erfindungsgemäß hergestellten Wafer zur Verwendung als Leistungsbauelemente, Hochfrequenzbauelemente, lichtemittierende Dioden und in Laser.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung von Templaten bzw. an Fremdsubstrat anhaftenden III-N-Einkristallen. Diese Produkte sind über das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich und sind insbesondere als Grundmaterial zur Herstellung dickerer III-N-Schichten bzw. Boules (Massivkristalle) und als Basis zur Bauelementfertigung geeignet. Diese erfindungsgemäß bereitgestellten Produkte weisen in Bezug auf die III-N-Einkristalle die oben beschriebenen Parameter auf, u. a. einen Wert ε_XX ≤ 0 (d. h. einschließlich ε_XX = 0), insbesondere einen ε_XX-Wert von < 0, bevorzugt im Bereich von 0 > ε_XX > –0,0005.
In allen Verfahrensstufen, insbesondere bei den eigentlichen, epitaxial gewachsenen III-N-Schichten und entsprechend im erfindungsgemäßen III-N-Einkristall sind der Einschluss von Dotierungen möglich. Geeignete Dotierungen umfassen n- sowie p-Dotierungen und können Elemente umfassen, die ausgesucht sind aus der Gruppe bestehend aus Be, Mg, Si, Ge, Sn, Pb, Se und Te.
Für semi-isolierendes Material können geeignete Dotierungen Elemente umfassen, die ausgesucht sind aus der Gruppe bestehend aus C, Fe, Mn und Cr.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erhaltene III-N-Einkristall aus Galliumnitrid zusammengesetzt, und dieser Kristall weist in Wachstumsrichtung eine Gitterkonstante a im Bereich von < a₀, insbesondere im Bereich von 0,31829 nm < a ≤ 0,318926 nm auf. Als Referenzwert der Gitterkonstante a₀ von GaN kann hier der Wert a₀ = 0,318926 nm angenommen werden (vgl. V. Darakchieva, B. Monemar, A. Usui, M. Saenger, M. Schubert, Journal of Crystal Growth 310 (2008) 959–965)). Dies entspricht in etwa einer Gitterkonstante c im Bereich von 0 ≤ ε_zz < +0,001.
Beispiele
Beispiel 1:
Das Beispiel 1 bezieht sich auf GaN-Wachstum, das auf einem Saphir-Startsubstrat durchgeführt wurde.
Die einzelnen Schritte des Verfahrens sind veranschaulichend in 2 und 3 dargestellt. 2 zeigt die Veränderung der Krümmung der Wachstumsoberfläche (rechte Ordinate; untere Linie) je nach Verfahrensstufe 1 bis 6 (entsprechend den Stufen (i) bis (vi) der 1) und jeweils angewandter Temperatur (linke Ordinate; obere und mittlere Linie).
In 3 sind folgende Parameter im zeitlichen Verlauf aufgetragen: die Veränderung der Reflexion bei 950 nm (Diagramm oben, links) sowie der Temperatur (Diagramm oben, rechts, wobei die obere Kurve die eingestellte bzw. gesteuerte Prozesstemperatur und die untere Kurve die wirkliche Temperatur am Waferort wiedergeben) und die Veränderung der Krümmung der Wachstumsoberfläche (Diagramm unten). Die einzelnen Verfahrensschritte sind zwischen den zwei Teildiagrammen von 3 angegeben, wobei der mit dem Ausdruck „GaN-Schicht” bezeichnete Verfahrensschritt aus 3 nachfolgend als „Kristallwachstum” bezeichnet ist.
Die in 3 angegeben Verfahrensschritte haben folgende Entsprechungen der 1:
„Desorption” entspricht Stufe (ii) von 1;
„GaN-Nukleation” entspricht Stufe (iii) von 1;
„Rekristallisation” entspricht Stufe (iv) von 1;
„T-Rampe” entspricht Stufe (v) von 1;
„GaN-Schicht” entspricht Stufe (vi) von 1;
Die Messung der Krümmung der Wachstumsoberfläche erfolgt in-situ. Die in-situ-Messungen wurden durchgeführt einer EpicurveTT-Krümmungsmessanlage der Firma LayTec (Berlin, Deutschland), die es erlaubt gleichzeitig Daten zur Temperatur, Reflexion und Krümmung der Wachstumsoberfläche zu erhalten.
Nachfolgend werden die Details eines ersten Ausführungsbeispiels zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Templats beschrieben. Als Wachstumstechnik wird eine MOVPE verwendet. Die hier genannten Temperaturen beziehen sich auf die Temperatur der Heizer; die Temperatur am Templat bzw. Kristall liegt um ca. 200 K tiefer [vgl. 2: hier ist mit der oberen Linie die nominelle Heizertemperatur und mit der mittleren Linie die gemessene Temperatur der Waferaufnahme dargestellt.
Fremdsubstrat:

c-plane Saphirsubstrat
430 μm Dicke
unstrukturiert

Desorptionsschritt in MOVPE-Multiwaferreaktor

Reaktor: Aix2600 G3 oder G4
Reaktordruck: 200 hPa
Aufheizen: Von 400°C auf 1180°C in 13 min
Reaktortemperatur: 1180°C
Prozesstemperaturdauer: 10 min in H₂-Atmosphäre
Abkühlung auf 540°C

Nukleationsschritt

Gasströme: 20 sccm TMGa, 1 slm NH₃
Abkühlung auf 530°C
Reduktion der Satellitenrotation durch Verringerung des Flusses auf je 100 sccm
Öffnen der Ventile
Nukleation: 8 min 30 s
Erhöhung des Ammoniakflusses auf 5.5 slm

Rekristallisation

Aufheizen von 530°C auf 1240°C in 8 min
Gleichzeitiges Rampen des Reaktordruck auf 600 hPa
Ceilingtemperatur: 370°C und
Gasstrom: 100 sccm TMGa, 16 slm NH₃. Danach Einstellen der Bedingungen für Koaleszenz:
Reaktordruck: Reduzierung von 600 hPa auf 500 hPa in 10 min
Gasstrom zur Erhöhung der Abscheiderate: 200 sccm TMG
Ceiling-Temperatur: 310°C.

T-Rampe und Kristallwachstum:

Abkühlung von 1240°C auf 1210°C in 10 min
Reaktordruck: 500 hPa, H₂-Atmosphäre
Gasströme: 200 sccm TMGa, 5500 sccm NH₃
Kristallwachstumszeit: 90 min

Wachstumsende und Abkühlung:

Abschalten von Heizung und TMGa-Strom
Reduzierung NH₃: 5500 sccm auf 4 slm in 5 min
Abschalten: NH₃-Strom unter 700°C
Umschalten: NH₃-Strom auf N₂-Strom

Wie aus 2 und 3 ersichtlich wird durch Anwenden der Temperaturrampe, d. h. dem Verringern von der „ersten” auf die „zweite” Wachstumstemperatur, die (hier konkave) Krümmung des Substrats (der darauf gebildet anfängliches GaN-Material aufweist) verringert auf einen Krümmungswert K_A, und diese (hier konkave) Krümmung K_A wird im weiteren Verlauf des GaN-Kristallwachstums bei der „zweiten” Wachstumstemperatur weiter verringert, bis auf einen Krümmungswert K_E am Ende des GaN-Kristallwachstums. Es gilt die Beziehung: Krümmung des Saphir K_A (Pos. 5 in 2; auch gezeigt mit Pfeil und Punkt) > Krümmung des GaN/Saphir K_E (Pos. 6 in 2; auch gezeigt mit Pfeil und Punkt), d. h. die GaN-Schicht ist intrinsisch kompressiv verspannt. Die Differenz K_A – K_E beträgt hier ≥ 5 km^–1, sie kann aber durch Einstellen entsprechend größerer Temperaturunterschiede noch größer eingestellt werden, z. B. ≥ 10, ≥ 15, oder ≥ 20 km^–1.
Krümmung K_A: 36 km^–1
Krümmung K_E: 16 km^–1
Werte des erhaltenen GaN-Kristalls:

3,5 μm dicke GaN-Schicht (nach 90 min MOVPE)
Gitterkonstante a: 0.31828
ε_XX-Wert: –0,00203
σ_XX-Wert: –0,73 GPa
Halbwertsbreite der Rockingkurve: 200 arcsec am 002 Reflex und 380 arcsec am 302 Reflex bei einem Eingangsschlitz von 0,2 mm × 2 mm eines Philips X'Pert Pro.

Am Ende des GaN-Kristallwachstums bei der „zweiten” Wachstumstemperatur weist das GaN/Saphir-Templat folglich einen Krümmungswert K_E bei Kristallwachstumstemperatur von nur maximal 30 km^–1 auf. Somit wird ein Zustand des Templats bereitgestellt, wonach dieses im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums keine oder annähernd keine Krümmung aufweist.
Das weitere Prozedere kann je nach Wunsch gewählt werden. Zum Beispiel kann sich direkt ein zusätzliches epitaxiales Kristallwachstum zum Bilden von dickerem III-N-Kristall anschließen. Ein solches fortgesetztes Wachstum kann bei einer Kristallwachstumstemperatur durchgeführt werden, die im Prinzip unabhängig von den genannten ersten und zweiten Kristallwachstumstemperaturen gewählt werden kann.
Alternativ kann das Templat auf Raumtemperatur abgekühlt werden und zu einem späteren Zeitpunkt, gegebenenfalls an einem anderen Ort oder in einen anderen Reaktor plaziert werden, um später nach Wunsch weiterverwendet bzw. weiterverarbeitet zu werden. Wie aus 2 und 3 ersichtlich kippt die Krümmung im vorliegenden Beispiel im Verlauf der Abkühlung auf Raumtemperatur von konkav zu konvex. Durch eine Abkühlung wird der oben beschriebenen, intrinsisch kompressiven Verspannung der GaN-Schicht eine zusätzliche extrinsisch kompressive Verspannung hinzugefügt. Somit ist im Vergleich zu dem unten beschriebenen Vergleichsbeispiel die erfindungsgemäß erhaltene, kompressiv verspannte III-N-Schicht bei Raumtemperatur stärker kompressiv verspannt als eine nur durch extrinsische Kompression verspannte III-N-Schicht.
Wie sich überraschend gezeigt hat wirkt sich diese erfindungsgemäß erhaltene, kompressiv verspannte III-N-Schicht günstig auf das Krümmungsverhalten bei Raumtemperatur und vor allem bei dem ggf. wieder erhitzten Zustand aus.
Wird nämlich das so erhaltene Templat wieder auf Betriebstemperatur, d. h. eine geeignete Epitaxie-Wachstumstemperatur erhitzt, wird der Zustand einer geringen oder fehlenden Krümmung (K_E) wiedererlangt, so dass der günstige Zustand für weiteres epitaxiales III-N-Kristallwachstum wieder erreicht ist.
Beispiel 2:
Dieses Beispiel bezieht sich auf GaN-Wachstum auf einem Fremdsubstrat, welches nicht wie in Beispiel 1 einen höheren (Saphir), sondern nun einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als GaN aufweist, beispielsweise Si oder SiC. Die Durchführung kann hier dem Beispiel 1 entsprechend erfolgen, jedoch mit dem Unterschied, dass die bezeichnete relevante Temperaturveränderung („T-Rampe”) nicht nach unten, sondern nach oben geht, wie schematisch durch eine entsprechende 4 veranschaulicht. Der beabsichtigte Effekt ist jedoch qulitativ gleich, nämlich eine Abnahme der Krümmung K_A – K_E > 0 im Verlauf des weiteren III-N-Wachstums des Templats.
Sobald das Wachstum des Templats fertiggestellt ist, kann anschließende entweder direkt oder indirekt (ohne oder mit Unterbrechung) weiteres Wachstum auf diesem Templat folgen. Wahlweise wird das Templat auf Raumtemperatur abgekühlt, und in diesem Fall krümmt/verspannt sich das Templat bei einem solchen Abkühlen auf Raumtemperatur von Natur zusätzlich thermisch (extrinsisch), nunmehr weiter in die konkave Richtung wie in 4 gezeigt. Für die Weiterverwendung bzw. -verarbeitung gemäß der Erfindung wichtig ist jedoch, dass die zusätzliche thermische, extrinsische Verspannung/Krümmung reversibel ist und daher, wenn das erfindungsgemäß gebildete Templat wieder auf Betriebstemperatur für Epitaxiewachstum erhitzt wird, der Zustand einer geringen oder fehlenden Krümmung (K_E) wiedererlangt wird (vgl. 4, Zustand der Krümmung vor „Abkühlung”), so dass der günstige Zustand für weiteres epitaxiales III-N-Kristallwachstum wieder erreicht ist.
Vergleichsbeispiel:
In einem Vergleichsbeispiel können die gleichen Versuchsbedingungen verwendet werden außer, dass die Temperatur hier nicht abgesenkt wird (vgl. Brenner et al. in J. Crystal Growth 298, 202–206 (2007).
5 zeigt typische in-situ Daten des MOVPE-Wachstum von GaN auf Saphir in einem solchen Vergleichsbeispiel, d. h. ohne Anwendung einer gezielten Temperaturrampe. Analog zu 3 und 4 sind folgende Parameter im zeitlichen Verlauf aufgetragen: die Veränderung der Reflexion bei 950 nm (Diagramm Ordinate oben, links) sowie der Temperatur (Diagramm Ordinate oben, rechts, wobei die obere Kurve die eingestellte bzw. gesteuerte Prozesstemperatur und die untere Kurve die wirkliche Temperatur am Waferort wiedergeben) und die Veränderung der Krümmung der Wachstumsoberfläche (Diagramm unten).
Das untere Bild zeigt die Entwicklung der Verkrümmung während des Prozesses für fünf verschiedene Saphirsubstrate. Die Pfeile verweisen auf die abzulesenden Krümmungswerte K_A und K_E (vgl. auch die durch quadratische Punkte gekennzeichneten Stellen der Termperaturkurve), und es gilt K_A – K_E < 0, d. h. GaN-Schicht ist intrinsisch tensil verspannt. Durch eine Abkühlung wird dieser Verspannung der GaN-Schicht eine extrinsisch kompressive Verspannung überlagert.
Typische Werte für das Vergleichsbeispiel:

Krümmung K_A: 50 km^–1,
Krümmung K_E: 70 km^–1,
ε_XX-Wert: –0,0015,
σ_XX-Wert: –0,55 GPa.

Beispiel 3:
Auf dem gemäß Beispiel 1 hergestellten Templat und parallel dazu auf dem gemäß Vergleichsbeispiel hergestellten Templat werden in einer HVPE-Anlage mit üblichen Verfahrensparametern jeweils ca. 1 mm dicke GaN-Boules gewachsen. Im Vergleich zum Vergleichsbeispiel wirkt sich dabei die im Templat gemäß Beispiel 1 eingestellte geringfügige kompressive Verspannung vorteilhaft aus, indem die Neigung zur Rissbildung geringer ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 102005023302 A1 [0066]
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Brenner et al. in J. Crystal Growth 298, 202–206 (2007) [0102]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Templats, welches ein Substrat und mindestens eine III-N-Kristallschicht umfasst, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus Al, Ga und In, bedeutet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Substrats, b) Durchführen von Wachstum eines kristallinen III-N-Materials auf dem Substrat bei einer ersten Kristallwachstumstemperatur, c) Verändern der Temperatur auf eine zweite Temperatur, die gegenüber der ersten Kristallwachstumstemperatur verändert ist, bei der jedoch Kristallwachstum stattfinden kann, d) Fortsetzen von Kristallwachstum zum Bilden von III-N-Kristall in einem gegenüber der ersten Wachstumstemperatur veränderten Bereich, ohne in diesem Schritt d) In zuzugeben mit der Maßgabe, dass die zweite Temperatur im Schritt c) niedriger ist als die erste Temperatur und im Schritt d) das Kristallwachstum unterhalb der ersten Wachstumstemperatur fortgesetzt wird, wenn das verwendete Substrat einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der bis Schritt d) zu wachsende III-N-Kristall, oder dass die zweite Temperatur im Schritt c) höher ist als die erste Temperatur und im Schritt d) das Kristallwachstum oberhalb der ersten Wachstumstemperatur fortgesetzt wird, wenn das verwendete Substrat einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der bis Schritt d) zu wachsende III-N-Kristall.
Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Substrats, b) Durchführen von Wachstum eines kristallinen III-N-Materials auf dem Substrat bei einer ersten Kristallwachstumstemperatur, c) Verändern der Temperatur auf eine zweite Temperatur, die gegenüber der ersten Kristallwachstumstemperatur verändert ist, bei der jedoch Kristallwachstum stattfinden kann, d) Fortsetzen von Kristallwachstum zum Bilden von III-N-Kristall in einem gegenüber der ersten Wachstumstemperatur veränderten Bereich, ohne in diesem Schritt d) In zuzugeben mit der Maßgabe, dass die zweite Temperatur im Schritt c) niedriger ist als die erste Temperatur und im Schritt d) das Kristallwachstum unterhalb der ersten Wachstumstemperatur fortgesetzt wird, wenn das verwendete Substrat einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der bis Schritt d) zu wachsende III-N-Kristall, oder dass die zweite Temperatur im Schritt c) höher ist als die erste Temperatur und im Schritt d) das Kristallwachstum oberhalb der ersten Wachstumstemperatur fortgesetzt wird, wenn das verwendete Substrat einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der bis Schritt d) zu wachsende III-N-Kristall, e) zusätzliches epitaxiales Kristallwachstum zum Bilden von III-N-Kristall bei einer Kristallwachstumstemperatur, die unabhängig von den genannten ersten und zweiten Temperaturen gewählt werden kann, wobei gegebenenfalls in diesem Schritt e) In zugegeben werden kann, und f) optional Trennen von gebildeten III-N-Einkristall und Substrat.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Veränderung, d. h. Absenkung oder Erhöhung der Temperatur eine Temperaturdifferenz ΔT(T₁ – T₂) im Reaktor festlegt, deren Betrag bei mindestens 10°C, vorzugsweise bei mindestens 20°C, weiter bevorzugt im Bereich von 20–50°C liegt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) die Temperatur zum Zeitpunkt der einsetzenden Kristallitkoaleszenz verändert wird, und dass im Anschluss die besagte Temperaturveränderung ein Kristallwachstum auf den koaleszierten III-N-Kristalliten folgt, je nachdem wie festegelegt im Bereich unterhalb oder oberhalb der ersten Wachstumstemperatur.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Wachstumsphase im Schritt d) bei Wachstumstemperatur eine gegebene Krümmung der Wachstumsoberfläche, kontinuierlich oder intermittierend, abnimmt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsdifferenz (K_a – K_e) des Templats zu Beginn (K_a) und am Ende (K_e) von Schritt d) bei Wachstumstemperatur ein positives Vorzeichen aufweist, bevorzugt mindestens 5 km^–1, weiter bevorzugt mindestens 10 km^–1 beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Schritt d) zum Bilden eines Templats eine III-N-Schicht mit einer Dicke im Bereich von 0,1–10 μm auf das Substrat aufgetragen worden ist.
Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus Al, Ga und In, bedeutet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: aa) Bereitstellen eines Templats, welches ein Fremdsubstrat und mindestens eine III-N-Kristallschicht umfasst, wobei das Templat im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums nicht oder im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist, bb) Durchführen eines epitaxialen Kristallwachstums von III-N-Kristall bei einer Kristallwachstumstemperatur, bei der das Templat nicht oder im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist, wobei in den Schritten aa) und bb) bevorzugt kein In zugegeben wird, und cc) optional zusätzliches epitaxiales Kristallwachstum zum Bilden von III-N-Kristall bei einer Kristallwachstumstemperatur, die unabhängig von der genannten Kristallwachstumstemperaturen des Schritts bb) gewählt werden kann, wobei gegebenenfalls in diesem Schritt cc) In zugegeben werden kann, und dd) weiter optional Trennen von III-N-Einkristall und Fremdsubstrat.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss von Schritt bb) die Bedingung von „im wesentlichen nicht gekrümmt” oder „negativ gekrümmt” bedeutet, dass bei Kristallwachstumstemperatur die Krümmung (K_e) im Bereich von maximal 30 km^–1 liegt.
Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt aa) das Templat (i) bei Raumtemperatur eine kompressive Spannung von σ_xx < –0,70 GPa aufweist; oder (ii) einen Wert ε_xx im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums von ε_xx < 0 aufweist, und/oder einen Wert ε_XX bei Raumtemperatur von ε_XX < –0,002, bevorzugt einen ε_XX-Wert bei Raumtemperatur im Bereich von –0,002 bis –0,004, aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt a) bzw. aa) verwendete Substrat ein Fremdsubstrat ist mit höherem thermischen Ausdehungskoeffizienten als der zu wachsende III-N-Kristall, ausgewählt aus der LiAlO₂ und Saphir umfassenden Gruppe, bevorzugt Saphir ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt a) bzw. aa) verwendete Substrat ein Fremdsubstrat ist mit niedrigerem thermischen Ausdehungskoeffizienten als der zu wachsende III-N-Kristall, ausgewählt aus der SiC und Si umfassenden Gruppe.
Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einen der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt aa) das Templat, wenn als Substrat Saphir einer Dicke (d_Saphir) von 430 μm und als III-N-Kristallschicht des Templats GaN einer Dicke (d_GaN) von 3,5 μm verwendet oder eingestellt wird, bei Raumtemperatur eine Krümmung K_{T(3,5μm;430μm)} < –170 km^–1, bevorzugt im Bereich von –170 > K_T > –250 km^–1 aufweist, wobei bei Verwendung oder Einstellung anderer Schichtdicken der Krümmungswert in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtdicken analog der Stoney-Gleichung im folgenden Bereich liegt: K_{T(dGaN;dSaphir)} = K_{T(3,5μm;430μm)} × (430 μm/d_Saphir)² × (d_GaN/3,5 μm).
Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des epitaxialen Wachstums III-N-Einkristalle gewachsen werden mit Schichtdicken von mindestens 1 mm, bevorzugt von mindestens 5 mm, weiter bevorzugt von mindestens 7 mm und am meisten bevorzugt von mindestens 1 cm.
Verfahren zur Herstellung von III-N-Kristallwafern, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems ausgesucht aus der Gruppe von Al, Ga und In bedeutet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 2 bis 14 zum Bilden eines III-N-Einkristalls, und b) Vereinzeln des Einkristalls zum Bilden von Wafern.
III-N-Einkristall anhaftend an einem Fremdsubstrat, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall bei Raumtemperatur einen ε_XX-Wert < 0 aufweist, bevorzugt der ε_XX-Wert im Bereich ε_XX < –0,002 liegt.
III-N-Einkristall gemäß Anspruch 16 in Form eines Templats mit einer Schichtdicke des III-N-Einkristalls im Bereich von 0,1–10 μm, bevorzugt von 2–5 μm.
III-N-Einkristall gemäß Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristall nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt wurde.
Verwendung eines III-N-Einkristalls gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18 zur Herstellung von dickeren III-N-Schichten oder III-N-Kristallbouls bzw. -Massivkristalle, die optional danach in einzelne III-N-Wafer vereinzelt werden.
Verwendung von nach Anspruch 15 hergestellten III-N-Wafern, oder Verwendung eines III-N-Einkristalls gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, jeweils zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, elektronischen oder optoelektronischen Bauelementen.