DE102012204553B4 - Verfahren zur Herstellung eines Templats, so hergestelltes Templat, dessen Verwendung, Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristallen, Verfahren zur Herstellung von III-N-Kristallwafern, deren Verwendung und Verwendung von Maskenmaterialien - Google Patents

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Abstract

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 SchritteBereitstellen eines Substrats, das LiAlO2oder Saphir umfasst, undWachstum eines kristallinen III-N-Materials auf dem Substratumfasst,wobei ein Maskenmaterial als Zwischenschicht im kristallinen III-N-Material in einem Abstand vom Substrat oder der gegebenenfalls vorgesehenen III-N-Nukleationsschicht abgeschieden wird und danach das Wachstum des kristallinen III-N-Materials fortgesetzt wird,und wobei, wenn während des Kristallwachstums die Krümmung der Wachstumsoberfläche des III-N-Kristalls zu einem ersten, relativ früheren Zeitpunkt mit Kaund zu einem zweiten relativ späteren Zeitpunkt mit Kebezeichnet wird, sich eine Krümmungsdifferenz Ka-Ke≥ 0 einstellt, wobei das Maskenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus SixNy, TiN, AlXOY, SiXOY, WSi, und WSiN besteht, wobei x und y jeweils unabhängig voneinander positive Zahlen bedeuten, die zu jeweiligen stöchiometrischen oder unstöchiometrischen Verbindungen von SiN, AIO bzw. SiO führen,wobei die Zwischenschicht des Maskenmaterials bei einem maximalen Abstand vom Substrat, bzw. der gegebenenfalls darauf gebildeten III-N-Nukleationsschicht, von 300 nm abgeschieden wird.

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 abgeschieden 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 können auch unter Zuhilfenahme von zum Teil strukturierten, in einem externen Verfahren aufgebrachten 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. An und oberhalb der Grenzfläche zwischen Startsubstrat und aufgewachsener III-N-Schicht können 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 In0,06Ga0,94N-Schicht innerhalb desselben Verfahrens nimmt diese konvexe Krümmung im weiteren Wachstum zu. Bei der anschließenden Auftragung einer Al0,076Ga0,924N-Schicht auf dieser In0,06Ga0,94N-Schicht wird schließlich eine konkave Krümmung erreicht, die vergleichsweise geringer ausfällt als die resultierende Krümmung ohne In0,06Ga0,94N-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 6×105 cm-2.
  • Hertkorn et al. beschreiben in J. Cryst. Growth 310 (2008), 4867-4870 Prozessbedingung zum Bilden von 2-3 µm dünnen GaN-Schichten mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE, Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) unter Verwendung von in situ abgeschiedenen SiNx-Masken. In Bezug auf unterschiedliche Lagen bzw. Positionen der SiNx-Masken , konkret bei 0 (d.h. direkt auf einer AlN-Nukleationsschicht) oder nach dem Wachsen von 15, 50, 100, 350 und 1000nm , wird der Zusammenhang mit einer möglichen Beeinflussung von Defekten bzw. dem Verlauf der Versetzungsdichte untersucht. Als Ergebnis wird vermutet, dass eine Defektterminierung bzw. Verminderung der Versetzungsdichte am effektivsten ist, wenn das SiNx nach dem Wachstum von 100nm GaN positioniert wird. Es wird aber andererseits als negativ und problematisch hervorgehoben, dass die SiNx-Abscheidung direkt auf oder in der Nähe der AlN-Nukleationsschicht stark kompressiv verspannte GaN-Schichten erzeugte und zur Schichtmissbildung - sogenannter stacking faults (Stapelfehler), die im Transmissionselektronenmikroskop sichtbar waren und ferner mit einer Verbreiterung der D0X-Linienbreite und der Röntgenpeaks einherging - führte und daher zur Vermeidung solcher Probleme eine zweite SiNx-Maske nach 1,5 µm zur Abschirmung der Defekte abgeschieden wurde. Abgesehen von einer Reduzierung der Versetzungsdichte, die aber auch als mit nachteiligen Effekten assoziiert beschrieben war, haben die Autoren nicht erkannt, welche für die Weiterverwendung von Templaten wichtigen Parameter durch eine SiNx-Abscheidung wie beeinflusst werden können, und vor allem ob und wie eine spätere Rissbildungsneigung beim Wachstum weiterer III-N-Schichten und -Massivkristalle unterdrückt werden kann.
  • 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.
  • DE 10 2006 008 929 A1 sowie DE 10 2010 056 409 A1 beschreiben Verfahren zur Herstellung von III-N-Schichten auf Siliziumsubstraten.
  • US 2008/0 217 645 A1 beschreibt das Wachstum von Nitridhalbleiterschichtstrukturen, bevorzugt mit GaN auf Silicium oder SiC, mit einer Dicke von 2 bis 8 µm, die im Wesentlichen rissfrei sind.
  • WO 2012/ 035 135 A1 beschreibt die Herstellung von Halbleiterchip mit einem III-N-Schichtenstapel, der zumindest eine n-dotierte Schicht aufweist. Dabei wird ein schwererer Dotand als Silicium aus der IV. Hauptgruppe oder ein Dotand aus der VI. Hauptgruppe verwendet, wodurch die Verspannung im Wesentlichen nicht von der Dotierung beeinflusst wird und tensile Verspannungen vermieden werden.
  • US 2009/0085165 A1 beschreibt ein III-N-Mehrschichtsystem. Dabei trägt eine Maske auf einer Halbleiterschicht geringer Kristallinität dazu bei, beim folgenden Aufwachsen einer kristallinen Halbleiterschicht Hohlräume in der Halbleiterschicht geringer Kristallinität zu erzeugen, wodurch die Ablösung des Substrats vereinfacht wird, als auch die Qualität der kristallinen Halbleiterschicht zu verbessern.
  • 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 ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 4 gelöst. Weiterbildungen sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben. Weiterhin stellt die Erfindung ein Verfahren gemäß Anspruch 12 sowie ein neues Templat gemäß Anspruch 13 bereit. Nützliche Verwendungen sind in den Ansprüchen 17 bis 19 definiert.
  • Erfindungsgemäß wurden in einem Templat (mit Substrat und III-N-Kristallschicht) die richtige Beeinflussung der kritischen Parameter Krümmung und Verspannung des Templats jeweils alternativ als besonders wichtig erkannt für vorteilhafte Eigenschaften des Templats und dessen Weiterverwendung. Es wurde überraschend gefunden, dass diese Parameter durch sorgfältig ausgewählte Faktoren, welche insbesondere das Vorsehen und schichtweise Aufbringen eines Maskenmaterials je nach Position bzw. Schichtlage im Templat einschließt, sehr günstig beeinflusst werden können, 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 (Ka-Ke) 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 die Beachtung der bevorzugten Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens, erlaubt entsprechend eine vorteilhafte Einstellung der Verspannung in der III-N-Kristallschicht des Templats mit einem Wert εxx, bei Raumtemperatur von εxx≤0 und insbesondere von εxx<0, und darüber hinaus noch von besonders passenden negativen εxx-Werten, was sich auf die erfindungsgemäße Weiterverwendung des Templats sehr günstig auswirkt und somit ein alternatives relevantes Produktmerkmal des erfindungsgemäßen Templats darstellt.
  • Herkömmliche und üblich durchgeführte Verfahren haben bisher ein anderes Verhalten gezeigt oder die hier erkannten nützlichen Zusammenhänge nicht erkennen lassen. In herkömmlichen Verfahren unter Verwendung des Standard-Substrats Saphir zum Beispiel bildet sich typischerweise infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Fremdsubstrat und III-N-Schicht sowie weiterer Faktoren bei Wachstumstemperatur eine konkave Krümmung der Wachstumsoberfläche, die dann im Verlauf des weiteren Kristallwachstums, also mit zunehmender Dicke der III-N-Schicht, weiter ansteigt. 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 der III-N-Materialschicht merklich 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 und insbesondere bei Weiterverwendung bzw. -verarbeitung des Templats, spätestens bei Abkühlung von der epitaxialen Wachstumstemperatur, leicht 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 gezielt gesteuert werden oder eine Krümmung auf Null oder nahezu Null eingestellt werden, so dass während des anschließenden Wachstums von III-N-Kristallen, z.B. zur Bildung von III-N-Massivkristallen - wahlweise während eines fortgesetzten Wachstums ohne Wachstumsunterbrechung, oder im Rahmen eines separaten Wachstumsprozesses mit Unterbrechung -, und sogar noch beim endgültigen Abkühlen Risse vermieden werden können.
  • 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 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 εxx der Gitterkonstante a beeinflusst werden.
  • Die Deformation εxx ist dabei folgendermaßen definiert: ε xx = Gitterkonstante a − Gitterkonstante a 0 Gitterkonstante a 0
    Figure DE102012204553B4_0001
    wobei a die tatsächliche Gitterkonstante im Kristall und ao die theoretisch ideale Gitterkonstante darstellt, wobei für ao typischerweise ein Literatur-Wert von a0 = 3.18926±0.00004Å (nach V. Darakchieva, B. Monemar, A. Usui, M. Saenger, M. Schubert, Journal of Crystal Growth 310 (2008) 959-965) angenommen wird.
  • 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 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 günstig beeinflusst.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass III-N-Kristalle von Templaten der vorliegenden Erfindung einen εxx-Wert von ≤ 0, weiter bevorzugt von < 0 aufweisen. 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).
  • Ohne die Erfindung einzuschränken, soll im Folgenden eine Zusammenstellung von Punkten angegeben werden, die Gegenstände, Weiterbildungen und besondere Merkmale der vorliegenden Erfindung beschreiben (Punkte, die in den Ansprüchen nicht angegeben sind, stehen nicht im Widerspruch zum Anspruchssatz, sondern spiegeln weiter bevorzugte Ausführungsformen wieder, welche in den Unteransprüche aber nicht genannt sind):
    • 1. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) 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 Schritte Bereitstellen eines Substrats, das LiAlO2 oder Saphir umfasst, und Wachstum eines kristallinen III-N-Materials auf dem Substrat umfasst, wobei ein Maskenmaterial als Zwischenschicht auf dem Substrat im kristallinen III-N-Material in einem Abstand vom Substrat oder der gegebenenfalls vorgesehenen III-N-Nukleationsschicht abgeschieden wird und danach das Wachstum eines kristallinen III-N-Materials fortgesetzt wird, und wobei, wenn während des Kristallwachstums die Krümmung der Wachstumsoberfläche des III-N-Kristalls zu einem ersten, relativ früheren Zeitpunkt mit Ka und zu einem zweiten relativ späteren Zeitpunkt mit Ke bezeichnet wird, sich eine Krümmungsdifferenz Ka-Ke ≥0 einstellt, wobei das Maskenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus SixNy, TiN, AlxOy, SixOy, WSi und WSiN besteht, wobei x und y jeweils unabhängig voneinander positive Zahlen bedeuten, die zu jeweiligen stöchiometrischen oder unstöchiometrischen Verbindungen von SiN, AlO bzw. SiO führen, wobei die Zwischenschicht des Maskenmaterials bei einem maximalen Abstand vom Substrat, bzw. der gegebenenfalls darauf gebildeten III-N-Nukleationsschicht, von 300 nm abgeschieden wird..
  • Bevorzugt ist der Bereich Ka-Ke > 0.
  • Das Maskenmaterial ist geeigneterweise als ein von Substratmaterial und III-N verschiedenes Material definiert, auf dem III-N-Wachstum gehemmt, gestört oder verhindert ist. Beispiele für das Maskenmaterial werden unten näher beschrieben.
  • Die Ausdrücke „relativ früh“ und „relativ spät“ bedeutet ein erster bzw. zweiter Zeitpunkt während des Kristallwachstums, der jeweils Anfang und Ende des gesamten Kristallwachstums der III-N-Kristallschicht sein kann, aber auch nur eine bestimmte Phase des gesamten Kristallwachstums der III-N-Kristallschicht definieren kann und es im letzten Fall nicht darauf ankommt, wie das Krümmungsverhalten vor dem ersten bzw. nach dem zweiten Zeitpunkt ist. Zum Beispiel, ohne aber darauf beschränkt zu sein, ist der relativ frühe erste Zeitpunkt gegeben durch den Zeitpunkt des Aufbringens der Zwischenschicht des Maskenmaterials, und zum Beispiel ist der relativ späte zweite Zeitpunkt gegeben durch das Ende der Herstellungsstufe des Templats, wiederum ohne darauf beschränkt zu sein. Den möglichen Varianten der jeweiligen Zeitpunkte gemeinsam ist eine jeweils günstige Beeinflussung von (Ver-)Spannung im gebildeten III-N-Kristall und/oder vom Krümmungsverhalten bzw. -zustand des Templats bei Wachstumstemperatur und/oder bei Raumtemperatur, jeweils im Vergleich zur Nichtbeachtung der genannten Beziehung Ka-Ke.
  • Der Ausdruck „Zwischenschicht“ ist in weitem Sinne zu verstehen, in der Regel als eine Materiallage, die Maskenmaterial umfasst, gegebenenfalls neben Maskenmaterial noch weiteres Material wie etwa das III-N-Material umfasst oder materialfreie Lücken aufweist. Die Dicke der „Zwischenschicht“ ist variabel, ist aber in der Regel dünn bis sehr dünn, geeigneterweise im Nanometer-Bereich (z.B. bis maximal 50 nm, vorzugsweise unter 5 nm) oder im Subnanometer-Bereich (z.B. bis unter 1 nm, insbesondere bis unter einer Monolage, d.h. 0,2 bis 0,3 nm oder weniger.
    • 2. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verfahren gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsdifferenz (Ka-Ke) mindestens 5 km-1, bevorzugt mindestens 10 km-1, weiter bevorzugt mindestens 20 km-1 und insbesondere mindestens 50 km-1 beträgt.
    • 3. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verfahren gemäß Punkt 1 oder 2, wobei das Templat weiterverwendet wird zum Aufbringen von einer oder mehreren weiteren III-N-Kristallschicht(en), wahlweise zum Herstellen eines III-N-Massivkristalls, wobei die III-N-Kristallschicht(en) oder der III-N-Massivkristall epitaxial gewachsene GaN-, AlN-, AlGaN-, InN-, InGaN-, AlInN- oder AlInGaN-Kristalle umfasst.. Weil das hergestellte Templat erfindungsgemäß durch Beachtung der Krümmungsdifferenz Ka-Ke günstig beeinflusst wird ist das weitere Krümmungserhalten der Wachstumsoberfläche des III-N-Kristalls während eines sich optional anschließenden Aufbringens bzw. Aufwachsens weiteren Halbleitermaterials nicht festgelegt.
    • 4. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) 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 nach dem Verfahren gemäß Punkt 1, welches ein Substrat und eine III-N-Kristallschicht umfasst, wobei das Templat im Bereich einer Wachstumstemperatur nicht oder im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist,
      • bb) Durchführen eines epitaxialen Kristallwachstums zum Bilden von weiterem III-N-Kristall, wahlweise zum Herstellen von III-N-Massivkristall auf dem Templat gemäß aa), ,
      • cc) optional Trennen von III-N-Einkristall oder III-N-Massivkristall und Fremdsubstrat. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die erwünschte günstige Nichtkrümmung oder (kompressive oder konvexe) Negativkrümmung des Templats bei dessen Erhitzen im Anfangszustand, d.h. bevor das weitere Wachstums gemäß Schritt bb) erfolgt, durch gezielte Positionierung einer Zwischenschicht des Maskenmaterials in definierter und begrenzter Höhenlage auf/über dem Fremdsubstrat eingestellt wurde. Hierzu und zum Ausdruck „Zwischenschicht“ s. die obigen Punkte 1 und 2. Falls diese Maßnahme für die genannte Bedingung nicht oder nicht allein ausreicht, können zusätzlich weitere Parameter beachtet und eingestellt werden, zum Beispiel indem während einer begrenzten Phase des Wachstums der III-N-Schicht des Templats eine Variation der Wachstumstemperatur (Absenkung oder Erhöhung je nach Wahl des Fremdsubstrats) erfolgte und damit ein ergänzender und/oder alternativer Beitrag zu der Beziehung Ka-Ke ≥ 0 geliefert wurde.
      Der Ausdruck „Wachstumstemperatur“ bezieht sich auf eine Temperatur, bei der eine Abscheidung, insbesondere ein epitaxiales Wachstum, eines gewünschten III-N-Kristall ermöglicht wird.
    • 5. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass wenn für das Templat als Substrat Saphir einer Dicke (dSaphir) von ungefähr 430µm (d.h. ±20µm) und als III-N-Kristallschicht des GaN einer Dicke (dGaN) von ungefähr 7 µm (d.h. ±0,5µm) verwendet oder eingestellt wird, beim III-N-Kristall eine Krümmung des Templats (KT) an der Wachstumsoberfläche
      • (i) bei Wachstumstemperatur im Bereich von 0 bis -150 km-1, bevorzugt im Bereich von -25 bis -75 km-1 festgelegt wird, und/oder
      • (ii) bei Raumtemperatur im Bereich von <-200 km-1, vorzugsweise -200 bis -400 kW-1, weiter bevorzugt im Bereich von -300 bis -350 km-1 festgelegt wird;
      wobei bei Verwendung oder Einstellung anderer Schichtdicken (dSaphir/dGaN) der Krümmungswert in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtdicken analog der Stoney-Gleichung im folgenden Bereich liegt: K T ( dGaN;dSaphir ) = K T ( 7 μ m ; 430 μ m ) × ( 430 μ m/d Saphir ) 2 × ( d GaN / 7 μ m ) .
      Figure DE102012204553B4_0002
    • 6. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall des Templats bei Raumtemperatur einen Krümmungsradius im Bereich von -2 bis -6 m aufweist.
    • 7. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass im kristallinen III-N-Materialeine kompressive Verspannung erzeugt wird. Die kompressive Verspannung wird primär dadurch erzeugt, dass die Zwischenschicht des Maskenmaterials bei einem gezielt festgelegten Abstand vom Substrat bzw. der Nukleationsschicht abgeschieden wird.
    • 8. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall des Templats bei Raumtemperatur eine kompressive Spannung von σxx<-0,70 GPa aufweist.
    • 9. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenschicht des Maskenmaterials bei einem maximalen Abstand vom Substrat bzw. der gegebenenfalls darauf gebildeten III-N-Nukleationsschicht, von 100nm, bevorzugt bis maximal 50nm, abgeschieden wird.
    • 10. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht des Maskenmaterials auf einer III-N-Nukleationsschicht auf dem Substrat abgeschieden wird und anschließend das Wachstum des III-N-Kristalls durchgeführt wird. Bei dieser Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die Zwischenschicht des Maskenmaterials direkt und unmittelbar auf der III-N-Nukleationsschicht des Substrats abgeschieden wird, noch bevor die Koaleszenz beendet ist und danach das eigentliche Wachstum des III-N-Einkristalls des Templats einsetzt.
    • 11. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Maskenmaterial bei der Herstellung des Templats auf dem Substrat oder innerhalb der III-N-Schicht des Templats in situ in demselben Reaktor abgeschieden wird und unmittelbar nach Abscheidung des Maskenmaterials mit dem III-N-Wachstumsprozess fortgesetzt wird.
    • 12. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Maskenmaterial im Templat in einer Ebene gleichmäßig verteilt ist, bevorzugt aber diskontinuierlich abgeschieden ist. Obgleich gemäß dieser möglichen Ausführungsformen das Maskenmaterial im Templat im Wesentlichen in einer Ebene vorliegt, kann die Form der Abscheidung unterschiedlich sein. Die Schicht des Maskenmaterials kann eine geschlossene Schicht bilden, alternativ und bevorzugt weist sie jedoch Unterbrechungen auf und ist diskontinuierlich in einer Schicht verteilt; sie kann insbesondere in Form von Netzstrukturen und/oder in Form von Nanoplättchen oder -inseln des Maskenmaterials vorliegen (Nano-Maske mit Maskenmaterial), wobei aus mikroskopischen oder nanodimensionierten Lücken in der diskontinuierlichen Maskenschicht heraus das nachfolgende Wachstum der III-N-Schicht nachfolgen kann. Auch die Dicke der Schicht des Maskenmaterials ist variabel. Den verschiedenen möglichen Abscheidungsformen ist eine jeweils günstige Beeinflussung von (Ver-)Spannung im gebildeten III-N-Kristall und/oder vom Krümmungsverhalten bzw. -zustand des Templats bei Wachstumstemperatur und/oder bei Raumtemperatur gemeinsam. Gewünschte Formen sind durch passende Parameter geeignet einstellbar, zum Beispiel durch Flussraten der entsprechenden Ausgangsmaterialien, durch Reaktordruck, durch Abscheidungstemperatur, oder durch Dauer der Abscheidung des Maskenmaterials.
    • 13. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass keine zweite SiNx-Maske im Abstand von 1,5µm abgeschieden wird.
    • 14. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass im Templat nur eine einzige Schicht des Maskenmaterials abgeschieden wird.
    • 15. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Maskenmaterial ein Material ist, auf dem eine III-N-Abscheidung gehemmt oder verhindert ist.
    • 16. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß dem vorangehenden Punkt, wobei das Maskenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus SixNy (worin x und y jeweils unabhängig voneinander positive Zahlen bedeuten, die zu stöchiometrischen oder unstöchiometrischen SiN-Verbindungen führen; insbesondere Si3N4), TiN, AlXOY (worin x und y jeweils unabhängig voneinander positive Zahlen bedeuten, die zu stöchiometrischen oder unstöchiometrischen AlO-Verbindungen führen; insbesondere Al2O3), SiXOY (worin x und y jeweils unabhängig voneinander positive Zahlen bedeuten, die zu stöchiometrischen oder unstöchiometrischen SiO-Verbindungen führen; insbesondere SiO2), WSi, und WSiN besteht. Beim Abscheiden des Maskenmaterials wird vorzugsweise das Maskenmaterial direkt im Reaktor in situ aus entsprechenden reaktiven Spezies der jeweiligen Elemente aus der Gasphase abgeschieden, und vorzugsweise wird direkt danach die Abscheidung des eigentlichen III-N-Kristalls des Templats gestartet bzw. fortgesetzt.
    • 17. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verfahren gemäß dem vorangehenden Punkt, wobei das Maskenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Si3N4, Al2O3, SiO2,besteht.
    • 18. (gestrichen)
    • 19. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Fremdsubstrat ist und Saphir umfasst.
    • 20. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des III-N-Kristalls des Templats in mindestens einer Wachstumsphase durch Variieren der Wachstumstemperatur zusätzlich verändert wird.
    • 21. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall der Verwendung eines Fremdsubstrats, welches einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der zu wachsende III-N-Kristall, in mindestens einer Wachstumsphase des III-N-Kristalls des Templats bei einer gegenüber einer vorherigen III-N-Abscheidung abgesenkten Wachstumstemperatur erfolgt.
    • 22. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall der Verwendung eines Fremdsubstrats, welches einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der zu wachsende III-N-Kristall, in mindestens einer Wachstumsphase des III-N-Kristalls des Templats bei einer gegenüber einer vorherigen III-N-Abscheidung erhöhten Wachstumstemperatur erfolgt.
    • 23. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß Punkt 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturabsenkung bzw. die Temperaturerhöhung mindestens 10 °C, vorzugsweise mindestens 20 °C beträgt, bevorzugt im Bereich von 20-50 °C, weiter bevorzugt im Bereich von 25-40 °C und besonders bevorzugt bei 30 °C liegt.
    • 24. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das bereitgestellte Substrat eine polierte Oberfläche aufweist.
    • 25. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das bereitgestellte Substrat eine durch Lithographie oder nasschemisches Ätzen oder trockenchemisches Ätzen (z.B. ICP) strukturierte Oberfläche aufweist.
    • 26. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Templat oder auf dem darauf epitaxial aufgewachsenen III-N-Kristall mindestens eine und gegebenenfalls weitere GaN-, AlN-, AlGaN-, InN-, InGaN-, AlInN- oder AlInGaN-Schicht(en) zur Herstellung entsprechend weiterer III-N-Schichten oder III-N-Kristalle aufgebracht wird (werden).
    • 27. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die III-N-Kristallschicht des Templats sowie der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristall aus demselben III-N Material bestehen.
    • 28. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass die III-N-Kristallschicht auf dem Substrat sowie der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristalljeweils ein binäres System bilden.
    • 29. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, wobei nach Abscheiden der Zwischenschicht des Maskenmaterials zusätzliches Kristallwachstum zum Bilden von III-N-Kristall mit einer Gesamtdicke im Bereich von 0,1-10 µm erfolgt, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von 3 bis 10 µm, wodurch ein Templat erhalten wird, wobei die Gesamtdicke der III-N-Schicht des Templats einschließlich der Zwischenschicht des Maskenmaterials gerechnet wird.
    • 30. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass MOVPE als Aufwachsmethode verwendet wird.
    • 31. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Templat III-N-Einkristalle gewachsen werden 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.
    • 32. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass das Kristallwachstum mindestens im Schritt nach Abschluss der Templatbildung, gegebenenfalls von Anfang an und in allen Kristallwachstumsschritten, mittels HVPE durchgeführt wird.
    • 33. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Kristallwachstums der gewachsene III-N-Einkristall und das Substrat durch Selbstablösung voneinander getrennt werden, vorzugsweise beim Abkühlen von einer Kristallwachstumstemperatur.
    • 34. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristall gemäß einem der vorangehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des Kristallwachstums der gewachsene III-N-Einkristall und das Substrat durch Abschleifen, Absägen oder einen lift-off-Prozess voneinander getrennt werden.
    • 35. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) 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:
      1. a) Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Punkte 3 bis 33 zum Bilden eines III-N-Massivkristalls, und
      2. b) Vereinzeln des Massivkristalls zum Bilden von Wafern.
    • 36. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Templat mit einem Substrat, das LiAlO2 oder Saphir umfasst, und mindestens einer III-N-Kristallschicht, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet, wobei in der III-N-Kristallschicht des Templats ein Maskenmaterial als Zwischenschicht im kristallinen III-N-Material vorgesehen ist, wobei die Zwischenschicht des Maskenmaterials bei einem maximalen Abstand vom Substrat, bzw. der gegebenenfalls darauf gebildeten III-N-Nukleationsschicht, von 300 nm vorgesehen ist, wobei in der III-N-Kristallschicht des Templats ein Wert εxx bei Raumtemperatur von εxx≤0 eingestellt ist, wobei das Maskenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus SixNy, TiN, AlxOy, SixOy, WSi und WSiN besteht, wobei x und y jeweils unabhängig voneinander positive Zahlen bedeuten, die zu jeweiligen stöchiometrischen oder unstöchiometrischen Verbindungen von SiN, AlO bzw. SiO führen .
    • 37. Templat mit einem Substrat und mindestens einer III-N-Kristallschicht, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet, wobei im Bereich über dem Fremdsubstrat oder in der III-N-Kristallschicht des Templats ein Maskenmaterial als Zwischenschicht vorgesehen ist, wobei in der III-N-Kristallschicht des Templats ein Wert εxx, bei Wachstumstemperatur von εxx≤0 eingestellt ist.
    • 38. (in den Ansprüchen nicht angegeben) (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Templat gemäß Punkt 36 oder 37, wobei in der III-N-Kristallschicht des Templats der Wert εxx, bei Raumtemperatur im Bereich von εxx<0, weiter bevorzugt im Bereich 0 > εxx ≥ -0,003 und insbesondere im Bereich -0,0015≥ εxx, ≥ -0,0025 und insbesondere im Bereich -0,0020 ≥ εxx ≥ -0,0025 eingestellt ist.
    • 39. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Templat gemäß einem der Punkte 36 bis 38 in Form eines Templats mit einer Schichtdicke des III-N-Einkristalls im Bereich von 0,1-10 µm, bevorzugt von 2-5 µm, gerechnet inklusive Zwischenschicht des Maskenmaterials.
    • 40. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Templat gemäß einem der Punkte 36 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass der III-N-Einkristall bei Raumtemperatur eine kompressive Spannung von σxx<-0,70 GPa aufweist.
    • 41. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Templat gemäß einem der Punkte 36 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass wenn für das Templat als Substrat Saphir einer Dicke (dSaphir) von ungefähr 430µm (d.h. ±20µm) und als III-N-Kristallschicht des GaN einer Dicke (dGaN) von ungefähr 7µm (d.h. ±0,5µm) verwendet oder eingestellt wird, beim III-N-Kristall eine Krümmung des Templats (KT)
      1. (i) bei Wachstumstemperatur im Bereich von 0 bis -150 km-1, bevorzugt im Bereich von -25 bis -75 km-1 festgelegt ist; und/oder
      2. (ii) bei Raumtemperatur im Bereich von -200 bis -400 km-1, bevorzugt im Bereich von -300 bis -400 km-1, weiter bevorzugt im Bereich von -300 bis -350 km-1 festgelegt ist,
      wobei bei Verwendung oder Einstellung anderer Schichtdicken (dSaphir/dGaN) der Krümmungswert in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtdicken analog der Stoney-Gleichung in folgenden Bereich liegt: K T ( dGaN;dSaphir ) = K T ( 7 μ m ; 430 μ m ) × ( 430 μ m/d Saphir ) 2 × ( d GaN / 7 μ m ) .
      Figure DE102012204553B4_0003
    • 42. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Templat gemäß einem der Punkte 36 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass III = Ga bedeutet und der Kristall in Wachstumsrichtung eine Gitterkonstante im Bereich von 0,31829 nm < a < 0,318926 nm aufweist.
    • 43. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Templat gemäß einem der Punkte 36 bis 42, hergestellt nach oder verwendet in einem der Verfahren gemäß den Punkte 1 bis 32.
    • 44. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verwendung eines Templats gemäß einem der Punkte 36 bis 43 zur Herstellung von dickeren III-N-Schichten oder III-N-Kristallboules bzw. -Massivkristallen, die optional danach in einzelne III-N-Wafer vereinzelt werden.
    • 45. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verwendung von nach Punkt 35 hergestellten III-N-Wafern, oder Verwendung eines Templats gemäß einem der Punkte 34 bis 41, jeweils zur Herstellung von Halbleiterelementen, elektronischen oder optoelektronischen Bauelementen. 46. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verwendung gemäß Punkt 43 zur Herstellung von Leistungsbauelementen, Hochfrequenzbauelementen, lichtemittierenden Dioden und Lasern.
    • 47. (gemäß dem Wortlaut der Ansprüche) Verwendung eines Maskenmaterials als Zwischenschicht gemäß einem der Punkte 36 bis 43 in einem Templat, welches ein Substrat und eine III-N-Kristallschicht aufweist, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet, zum Steuern eines Krümmungswerts und/oder einer Verspannung des Templats, um nach Einstellung eines bestimmten Krümmungswerts und/oder einer bestimmten Verspannung mindestens eine weitere III-N-Kristallschicht auf dem Substrat aufzubringen.
    • 48. (in den Ansprüchen nicht angegeben) Verwendung gemäß Punkt 47, wobei der bestimmte Krümmungswert und/oder die bestimmte Verspannung eine Rissbildung in einem anschließenden weiteren Wachstum einer zusätzlichen III-N-Schicht vermeidet.
  • Die in der Anmeldung genannten Temperaturen beziehen sich, soweit nichts anderes gesagt ist, auf die an Heizeinrichtungen entsprechend eingestellten Temperaturen, d.h. nominal eingestellten Temperaturen für jeweilige Schritte (Prozesstemperatur). Die Temperaturen am Templat/Wafer liegen typischerweise etwas tiefer, was je nach Reaktortyp verschieden sein kann; z.B. bis 75K tiefer. So liegen beim in den Beispielen verwendeten Reaktortyp die Temperaturen am Templat/Wafer (gemessen mit einem in-situ Messgerät EpiTT der Firma Laytec, Berlin, Deutschland) etwa 30-50K unter Prozesstemperatur.
  • Figurenliste
    • 1A und 1B zeigen schematisch Stufen des Aufwachsprozesses zum Bilden von III-N-Templaten mit Saphirsubstrat, und mit jeweils unterschiedlichen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 2 veranschaulicht zeitliche Temperatur-, Reflexions- und Krümmungsverläufe beim beispielhaften Wachstum von GaN auf Saphir (Abstand 15 nm);
    • 3 veranschaulicht zeitliche Temperatur-, Reflexions- und Krümmungsverläufe bei Wachstum von GaN auf Saphir (Abstand 300 nm);
    • 4 zeigt die Veränderung der Krümmung der Wachstumsoberfläche gemäß einem anderen Prinzip, bei dem optional eine Abscheidung einer Zwischenschicht mit Maskenmaterial kombiniert wird mit einer Veränderung der III-N-Wachstumstemperatur während des Wachstums der III-N-Schicht des Templats;
    • 5A und 5B zeigen die Veränderung der Krümmung der Wachstumsoberfläche hauptsächlich in Abhängigkeit von Vorsehen und Lage/Positionierung einer Zwischenschicht mit Maskenmaterial gemäß unterschiedlichen möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
    • 5C zeigt die Ergebnisse bezüglich Krümmung der Wachstumsoberfläche, wenn die gemäß 5A und 5B definierten Template einem weiteren III-N (GaN)-Schichtwachstum zur Herstellung dickerer Schichten unterzogen werden, und
    • 6 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 die Template wesentlich durch passende Positionierung einer Zwischenschicht von Maskenmaterial in Bezug auf die relevanten Parameter Krümmung der Wachstumsoberfläche am Templat und/oder geeignete Verspannung im Templat derart günstig beeinflusst werden können, dass das nachfolgende Wachstum von III-N-Einkristallen mit herausragenden Eigenschaften ermöglicht wird und insbesondere die nachfolgende Neigung zu Rissbildung in auf dem Templat wachsenden III-N-Einkristallen signifikant reduziert wird.
  • Für die Herstellung des Templats wird zunächst ein Substrat bereitgestellt, welches geeigneterweise ausgewählt werden kann aus Homo- oder Hetero-Startsubstraten sowie Ausgangssubstraten mit darauf gebildeten Strukturen, zum Beispiel bestimmter extern gebildeter Maskenstrukturen. Eine weitere Möglichkeit der Bereitstellung eines geeigneten Startsubstrats kann die Bildung von Zwischenschichten oder Zwischenstrukturen zum Zweck einer Unterstützung der späteren Ablösung vom Ausgangssubstrat, und/oder die Bildung eines sogenannten GaN-„Nanorasens“ einschließen, bei dem man von einem Substrat mit darauf gebildeter GaN-Komplianzschicht mit Nanosäulenstruktur ausgeht, wie beispielsweise in WO2006035212A1 , WO2008096168A1 , WO2008087452A1 , EP2136390A2 und WO2007107757A2 beschrieben.
  • Eine gegebenenfalls ex situ durchgeführte Musterung wie z.B. das Öffnen von Fenstern und anderer Maskenstrukturen gehört somit allenfalls zum Schritt der Bereitstellung des Startsubstrats, jedoch nicht zum eigentlichen Schritt des Einbringens der Masken-Zwischenschicht, wie nachfolgend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben.
  • Für die Bereitstellung eines Startsubstrats eignet sich ein Fremdsubstrat, das LiAlO2 oder Saphir umfasst, besonders bevorzugt aus Saphir gebildet ist. Weiter bevorzugt wird ein Saphirsubstrat mit c-Orientierung 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 durch nasschemische oder trockenchemische Ätzverfahren (z.B. ICP-Ätzen) strukturierte Oberfläche aufweist.
  • Beispielhafte, nicht einschränkende, jedoch jeweils variierte Ausführungsformen werden nun anhand der schematischen 1A und 1B beschrieben. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Dicke eines Substrats (Bz. 100A bzw. 100B) substantiell größer ist als die Dicken von III-N-Material und - Schichten, die darauf gebildet werden, und ferner dass ein Hauptteil der aufgewachsenen III-N-Schicht des Templats (Bz. 105A bzw. 105B) substantiell größer ist als eine Dicke von III-N-Material (Bz. 103A bzw. 103B) unterhalb der Zwischenschicht mit Maskenmaterial (Bz. 102A bzw. 102B), was durch jeweilige Unterbrechungen am jeweils linken Rand der Schichten 100A/100B und 105A/105B angedeutet ist.
  • In den 1A und 1B ist zunächst im gleichen Schritt (1) die Bereitstellung der jeweilige Substrate 100A bzw. 100B gezeigt. Die jeweiligen Substrate können optional wie oben beschrieben vorbehandelt sein, insbesondere können diese jeweils einem Desorptionsschritt und einem Nukleationsschritt unterzogen sein. In einem solchen optionalen 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 1100 bis 1300°C, weiter bevorzugt auf eine Temperatur von 1150 bis 1250°C, z.B. ungefähr um 1200°C. Typischerweise wird das Startsubstrat aufgrund des Temperaturgradienten innerhalb des Substrats einer Verbiegung (Verkrümmung, Krümmung) unterworfen, normalerweise mit einer konkaven Krümmung bezüglich der Oberfläche, auf der nachfolgend das III-N-Material aufgetragen wird. Dem Desorptionsschritt kann ferner optional eine Nitridierung mit Ammoniak folgen. 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 - typischerweise 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 im insoweit gleichen Schritt (2) der 1A und 1B dargestellt. Das kristalline III-N-Material 101A bzw. 101B, speziell die III-N-Kristallite dienen als Kristallisationskeime im späteren weiteren III-N-Kristallwachstum. 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 im Falle einer Niedertemperatur-GaN-Nukleation typischerweise bei Temperaturen von 400 bis 600 °C, vorzugsweise von 450 bis 550 °C statt und mehr bevorzugt von 500 bis 540 °C.
  • Eine AlN-Nukleation findet typischerweise bei Temperaturen von 850 bis 1050 °C, vorzugsweise von 900 bis 1000 °C und mehr bevorzugt von 950 bis 960 °C statt.
  • Beim Niedertemperatur-Nukleationsschritt, gegebenenfalls auch beim anschließenden Aufheizen auf Wachstumstemperatur, kann optional eine Rekristallisation erfolgen.
  • Nach dem Bereitstellen eines Substrates, ggf. mit den oben beschriebenen optionalen Maßnahmen, können die weiteren Schritte der jeweiligen erfindungsgemäßen Ausführungsformen variieren, was Zeitpunkt und Position/Lage der Schicht des Maskenmaterials und die daraus resultierenden Konsequenzen anbelangt, wie jeweils getrennt in 1A und 1B veranschaulicht.
  • Bei der in 1A gezeigten Ausführungsform wird bereits direkt auf die Nukleationsschicht 101A, noch bevor Koaleszenz der Kristallite eintritt, eine Zwischenschicht aus Maskenmaterial 102A aufgebracht. In einer weiteren (hier nicht speziell dargestellten) Modifikation erfolgt diese Abscheidung der Zwischenschicht nicht direkt auf der Nukleationsschicht, sondern erst nach einer sehr kurzen Phase eines III-N-Wachstums, aber noch sehr nahe im nm-Bereich an der Nukleationsschicht, zum Beispiel in einem Bereich von bis 30nm Abstand. In diesem sehr nah an der Nukleationsschicht gewählten Abstandsbereich laufen die nachfolgenden Schritte praktisch analog der in 1A gezeigten Form ab. Bei der in 1B gezeigten Ausführungsform wird auf der Nukleationsschicht 101B zunächst für eine bestimmte, in der Regel nach wie vor relativ kurze Zeit ein III-N-Wachstum durchgeführt, zum Beispiel bis sich eine geringe Dicke von 30nm oder darüber und geeigneterweise bis ca. 300nm, vorzugsweise bis ca. 100nm, weiter bevorzugt bis ca. 50nm der kristallinen III-N-Schicht 103B gebildet hat, und erst dann wird im entsprechenden Abstand von der Nukleationsschicht des Substrats eine Zwischenschicht aus Maskenmaterial 102B aufgebracht.
  • Die Abscheidung der bezeichneten Zwischenschicht 102A bzw. 102B geschieht zweckmäßig und vorteilhaft in situ im gleichen Reaktor mit einem Prozess, der mit der Technik zum Wachstum der III-N-Schicht kompatibel ist. Dazu werden passende Ausgangsmaterialien oder reaktive Folgeprodukte oder -Spezies des Maskenmaterials im Reaktor bei geeigneter Temperatur und weiteren Parametern, die zur Abscheidung von Maskenmaterial geeignet sind, miteinander zur Reaktion gebracht. Am einfachsten erfolgt eine Abscheidung von Nitrid-Maskenmaterial wie Siliziumnitrid, weil dessen Abscheidung gut mit III-N-Abscheidungstechniken kompatibel ist. Häufig können für diese Abscheidung gleiche oder ähnliche, oder mindestens kompatible Bedingungen hinsichtlich Reaktordruck und -temperatur gewählt werden wie bei der III-N-Abscheidung und im übrigen lediglich geeignete Gaszusammensetzungen und Gasströmungsraten angepasst werden, so dass diese Prozessmodifikation leicht zu handhaben ist. So wird zum Beispiel ein Silangas und Ammoniak in den Reaktor eingeströmt und bei geeignetem Druck und geeigneter Temperatur von z.B. 800 °C bis 1200°C, vorzugsweise etwa 1050 bis 1150°C miteinander zur Reaktion und in Form von Si3N4 und ggf. weiterer stöchiometrischer oder über- oder unterstöchiometrischer SixNy-Zusammensetzungen auf dem vorbereiteten Substrat (100A; 101A) abgeschieden. Der Schritt der Abscheidung anderer Maskenmaterialien als SiN, wie z.B. TiN, Al2O3, SiO2, WSi, und WSiN, kann ohne weiteres und entsprechend angepasst werden.
  • Auf der Nukleationsschicht (vgl. 1A; 101A) oder alternativ auf der sich gerade anwachsenden, aber noch sehr nahe an der Nukleationsschicht befindlichen III-N-Schicht (vgl. 1B; 101B) bildet sich somit eine Maskenschicht (102A bzw. 102B). Die Maskenschicht kann unterschiedliche Formen aufweisen. Sie ist in der Regel gleichmäßig auf der Oberfläche verteilt und kann dabei eine geschlossene Schicht bilden, alternativ weist sie aber eher mikroskopische/nanostrukturierte Lücken auf; diese Möglichkeiten sind in der Zeichnung schematisch in Form einer gestrichelten Schicht 102A bzw. 102B dargestellt.
  • Die Dicke der „Zwischenschicht“ 102A bzw. 102B, welche jeweils Maskenmaterial umfasst, ist sehr gering, was durch entsprechende Gasströmungsraten und geringe Prozesszeiten eingestellt werden kann; sie liegt geeigneterweise im Nanometer- oder im Subnanometer-Bereich, zum Beispiel unter 5 nm, mehr bevorzugt unter 1 nm, insbesondere bis unter einer Monolage (d.h. 0,2 bis 0,3 nm oder weniger).
  • Der Abstand der Zwischenschicht 102A bzw. 102B, vom Substrat ist gering, er liegt geeigneterweise im Bereich bis maximal 300nm „zum Beispiel bei 1 bis 200 nm und speziell bei einigen zig nm, vorzugsweise 30 bis 90nm, mehr bevorzugt 40 bis 60nm.
  • Nach Abscheidung der Zwischenschicht mit Maskenmaterial erfolgt unmittelbar darauf das fortgesetzte Wachstum einer III-N-Schicht 104A,104B (Stufe (4) in 1A/1B), bis das Templat am Wachstumsende (Stufe (5) in 1A/1B) eine III-N-Schicht 105A, 105B mit gewünschter Dicke im Bereich von 0,1-10 µm, vorzugsweise im Bereich von 3 bis 10 µm aufweist (Gesamtdicke der III-N-Schicht des Templats einschließlich der Zwischenschicht des Maskenmaterials und ggf. Nukleationsschicht). Erfindungsgemäß wird dafür gesorgt, dass die Charakteristika Krümmung (gemessen an der Wachstumsoberfläche) und/oder Verspannung der III-N-Schicht des Templats günstig beeinflusst und für nachfolgende Prozesse ausgenutzt werden. So wird im Gegensatz zur herkömmlichen Verfahrensweise, bei der sich typischerweise eine konkave Krümmung der Wachstumsoberfläche bildet, die dann im Verlauf des weiteren Kristallwachstums, also mit zunehmender Dicke der III-N-Schicht, weiter ansteigt, erfindungsgemäß bewirkt, dass die Krümmung des Templats während des anschließenden weiteren Wachstums einer wachsenden III-N-Schicht 104A bzw. 104B abnimmt, wie in den jeweiligen Schritten (4) von 1A/1B schematisch gezeigt. So wird im speziellen Fall von 1A dafür gesorgt, dass unmittelbar im Anschluss an das Abscheiden der Zwischenschicht des Maskenmaterials 101A mit dem Koaleszieren der III-N-Schicht diese anwachsende III-N-Schicht sich - untypisch - negativ/konvex krümmt und sich dabei eine erwünschte kompressive Verspannung im Templat aufbaut. Im speziellen Fall von 1B liegt zwar zunächst im Schritt (3) eine leicht konkave Krümmung mit tensiler Verspannung im III-N-Kristall 103B vor, jedoch wird in diesem Fall dafür gesorgt, dass die Krümmung zumindest signifikant weniger ansteigt als im Vergleich zu einer Situation ohne Abscheidung der Maskenschicht 102B an geeigneter Lage/Position, ggf. sogar noch eine Abnahme der Krümmung erreicht wird und somit eine Krümmungsdifferenz Ka-Ke ≥ 0 beachtet wird.
  • Wird das angestrebte Krümmungsverhalten nicht oder nicht allein durch Position/Lage der Zwischenschicht mit Maskenmaterial in passendem Abstand gegenüber der Oberfläche des Fremdsubstrats bzw. der Nukleationsschicht erreicht, kann dieses Verhalten durch zusätzliches und gezieltes Einstellen anderer Prozessparameter zu dem Zweck gesteuert werden, dass ein ergänzender Beitrag zu der Beziehung Ka-Ke ≥ 0 geliefert wird, oder dass das Templat bei Wachstumstemperatur im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist. Ein zu diesem Zweck besonders geeigneter weiterer Prozessparameter besteht in einer Anpassung und ggf. einem Variieren der III-N-Wachstumstemperatur, wobei für den Fall der Verwendung eines Fremdsubstrats, welches einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der zu wachsende III-N-Kristall (z.B. Saphir), bei einer gegenüber vorherigem Wachstum abgesenkten Wachstumstemperatur erfolgt, und wobei alternativ für den Fall der Verwendung eines Fremdsubstrats, welches einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der zu wachsende III-N-Kristall (z.B. Silizium Si oder Siliziumcarbid SiC), bei einer gegenüber vorherigem Wachstum erhöhten Wachstumstemperatur erfolgt. Diese Temperaturveränderung wird am effektivsten während einer begrenzten, vorzugsweise relativ frühen Phase des Wachstums der III-N-Schicht des Templats durchgeführt und das Wachstum wird bei dieser (je nach Fall verringerten oder erhöhten Temperatur) fortgesetzt. Eine substanzielle Krümmungsreduzierung mit Ka-Ke > 0 wird zum Beispiel ergänzend dadurch erreicht, dass in mindestens einer Wachstumsphase des III-N-Kristalls des Templats bei einer gegenüber vorherigem Wachstum um mindestens 10 °C abgesenkten bzw. erhöhten Wachstumstemperatur erfolgt. Die Absenkung bzw. Erhöhung der Wachstumstemperatur beträgt vorzugsweise mindestens 20 °C und liegt weiter bevorzugt im Bereich von 20-50 °C und insbesondere im Bereich von 25-40 °C.
  • Im Falle von GaN liegt eine übliche Wachstumstemperatur beispielsweise im Bereich von 900 °C bis 1200°C, vorzugsweise etwa 1020 bis 1150°C, weiter bevorzugt um ca. 1.100°C ± 20°C,. Im Falle von AlGaN mit einem Al-Anteil von 30% bis zu 90 % liegt eine übliche Wachstumstemperatur beispielsweise im Bereich von 1.070-1.250°C, bevorzugt bei 1.090-1.270°C, und weiter bevorzugt bei 1.170°C. Temperaturen für das Abscheiden anderer III-N-Materialien werden auf der Basis allgemeinen Wissens entsprechend angepasst.
  • Falls ggf. angewandt und optional erwünscht, kann wie in der oben bezeichneten speziellen Ausführungsform beschrieben das System zunächst auf eine entsprechend vorgewählte (erste) Temperatur gebracht werden, wobei bei dieser ersten Temperatur ggf. nur eine Rekristallisation stattfindet, und diese erste Temperatur dann variiert wird, jedoch nur so weit auf eine veränderte (zweite) Temperatur, bei der weiterhin Kristallwachstum und vorzugsweise epitaxiales Kristallwachstum stattfinden kann, um schließlich das Krümmungsverhalten wahlweise zusätzlich zu beeinflussen. Wenn optional angewandt, geschieht dies vorzugsweise bei Beginn oder während der Koaleszenz der wachsenden III-N-Kristallite oder in der frühen Phase der wachsenden III-N-Schicht des Templats. Ob bei dieser optionalen Modifikation als Variation eine Absenkung oder eine Erhöhung der Wachstumstemperatur gewählt wird, hängt von der Wahl des Fremdsubstrats ab. Wird ein Fremdsubstrat verwendet, welches einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der zu wachsende III-N-Kristall (zum Beispiel Saphir), erfolgt dann eine Absenkung der Wachstumstemperatur. Für den Fall der Verwendung eines Fremdsubstrats, welches einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der zu wachsende III-N-Kristall (zum Beispiel Silizium Si oder Siliziumcarbid SiC), erfolgt dann hingegen eine Erhöhung der Wachstumstemperatur. Beim Fortsetzen des (vorzugsweise epitaxialen) Kristallwachstums im Bereich der entsprechend variierten zweiten Wachstumstemperatur - d.h. unterhalb bzw. oberhalb der jeweils ersten Temperatur - nimmt dann jeweils die Krümmung der Wachstumsoberfläche weiter kontinuierlich oder intermittierend ab. Sobald eine ausreichende ergänzende Krümmungsabnahme über diesen optionalen Schritt der Temperaturvariation erreicht ist, kann die Temperatur für das weitere Wachstum der III-N-Schicht wieder frei gewählt werden, z.B. im Bereich der üblichen vorgenannten Wachstumstemperaturen, wie etwa für GaN und AlGaN.
  • Die III-Komponente, ausgehend von vorangehenden Schritten - etwa bei der Bildung der anfänglichen III-N-Kristallite bzw. der Nukleationsschicht auf dem Substrat wie oben beschrieben - kann beim Wechsel zum Schritt des Wachstums der eigentlichen epitaxialen III-N-Schicht gleich bleiben, oder sie kann alternativ variiert werden. Zum Beispiel kann die Nukleationsschicht (vgl. 102A bzw. 102B in 1A/B) aus GaN oder AlN gebildet sein, und unabhängig davon kann die epitaxiale III-N-Schicht des Templats (vgl. 104A-105A bzw. 104B-105B in 1A/B) aus GaN oder AlGaN (vorzugsweise aus GaN) gebildet sein. In einer bestimmten Ausführungsform wird die III-Komponenten nicht verändert.
  • Wieder auf die hier konkret beschriebenen Ausführungsformen gemäß 1A und 1B bezogen wird erfindungsgemäß dafür gesorgt, dass durch passende Abscheidung einer einzigen Zwischenschicht des Maskenmaterials 102A bzw. 102B im Zuge des weiteren Wachstums der gesamten III-N-Schicht 105Abzw. 105B des Templats im Mikrometerbereich (üblicherweise bis 10µm) die Krümmung weiter kontinuierlich abnimmt, im Fall von 1A mit Tendenz zu weiter negativen Krümmungswerten, im Fall der 1B hingegen - weil von einer leicht positiven/konvexen Krümmung in Stufe (3) ausgehend - zu einem Zustand von im wesentlichen fehlender Krümmung (vgl. jeweils Stufe (5) in 1A/1B).
  • Bezeichnet man den Krümmungswert zu Beginn des Kristallwachstums der III-N-Schicht oder direkt im Anschluss an die Abscheidung der Zwischenschicht des Maskenmaterials (wie z.B. in 1 etwa bei Stufe (3)) mit „Ka“ bzw. „KA“ (KAnfang) und den Krümmungswert zu einem späteren Zeitpunkt (wie z.B. in 1 bei Stufe (4)) und insbesondere gegen Ende des Wachstums der III-N-Schicht des Templats (etwa gemäß 1 bei Stufe (5)) mit „Ke“ bzw. „KE“ (KEnde), so weist die Krümmungsdifferenz (Ka-Ke) des Templats, jeweils gemessen bei Wachstumstemperatur, ein positives Vorzeichen auf. Bevorzugt beträgt Ka-Ke mindestens 5 km-1, weiter bevorzugt mindestens 10 km-1. Andererseits ist diese Krümmungsdifferenz (Ka-Ke) vorzugsweise nicht zu groß gewählt; so sollte sie vorzugsweise nicht größer als 50 km-1, weiter bevorzugt nicht größer als 20 km-1 betragen.
  • Durch Erkennung und aktive Beeinflussung 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 nicht gekrümmt ist, jedenfalls im wesentlichen nicht gekrümmt ist (wie zum Beispiel in 1B Stufe (5) veranschaulicht), oder negativ gekrümmt ist (wie zum Beispiel in 1A Stufe (5) veranschaulicht). Durch gestrichelte Linien abgesetzt stellen die Stufen (5) und (6) die jeweiligen Endzustände des fertig hergestellten Templats dar, jeweils bei Wachstumstemperatur (Stufe (5)) bzw. nach Abkühlung bei Raumtemperatur (Stufe (6)).
  • 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.
  • Wenn Schichtdicken von geeigneterweise mindestens 0,1 µm, zum Beispiel im Bereich von 0,1-10 µm, bevorzugt von 2-7,5 µm der wie oben beschrieben gefertigten III-N-Schicht auf dem Substrat aufgetragen werden, wird erfindungsgemäß ein Templat bereitgestellt, welches sich hervorragend als Ausgangstemplat zur Weiterverwendung oder -verarbeitung zum epitaxialen Wachstum weiterer Schichten und insbesondere von weiteren III-N-Schichten eignet und dann dem Problem der Neigung zu Rissbildungen begegnet werden kann, vor allem wenn anschließend deutlich dickere III-N-Schichten wie III-N-Massivkristalle (Ingots, Boules) gewachsen oder abgeschieden werden. Geeignete Techniken zum Wachstum oder Abscheiden dickerer III-N-Schichten wie III-N-Massivkristalle können zum Beispiel ausgewählt werden aus Gasphasenepitaxie (Vapor Phase Epitaxy, VPE) - darunter insbesondere die Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE), Ammonothermalverfahren, Sublimation und dergleichen.
  • Einen beispielhaften Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer möglichen Ausführungsform veranschaulicht 2.
  • Darin sind folgende Parameter im zeitlichen Verlauf aufgetragen: die Veränderung der wachsenden Oberfläche (erkennbar am Verlauf der abnehmenden Amplitude der Reflektivität, in willkürlichen Einheiten a.u. im unteren Teil der Abbildung) sowie der Temperatur (Ordinate links, obere Linie entsprechend Prozesstemperatur, untere Linie entsprechend Wafertemperatur) und die Veränderung der Krümmung (Ordinate rechts) der Wachstumsoberfläche . Die Messung der Krümmung der Wachstumsoberfläche erfolgt in-situ, durchführbar mit einer EpicurveTT-Krümmungsmessanlage der Firma LayTec (Berlin, Deutschland), die es erlaubt gleichzeitig Daten zur Temperatur, Reflexion und Krümmung der Wachstumsoberfläche zu erhalten.
  • Einzelne Verfahrensstufen bzw. Abschnitte sind in 2 angegeben. Diese haben entsprechende Parallelen zu der Darstellung in 1. Die Abschnitte, die in 2 mit „Desorption“ und „GaN-Nukleation“ bezeichnet sind, entsprechen den in 1A/1B bezeichneten Stufen (1) und (2) und damit zur Bereitstellung eines Substrats, hier z.B. Saphir. Ohne Abstand bzw. Zeitverzug und damit unmittelbar auf der Nukleation (GaN- oder AlN-Nukleation; vgl. 1A Stufe (3)), oder nahe daran bzw. nach nur kurzer (ggf. sehr kurzer) Wachstumsdauer (vgl. 1B Stufe (3)) wird die Zwischenschicht mit Maskenmaterial abgeschieden, wie in 2 angezeigt. Der mit dem Ausdruck „GaN-Schicht“ bezeichnete Abschnitt entspricht einem epitaxialen III-N-„Kristallwachstum“ gemäß den Stufen (4) bis (5) von 1. Im Zuge des sich an die Zwischenschicht-Abscheidung anschließenden, epitaxialen III-N-Kristallwachstums ist die technische Realisierung erkennbar, dass die Krümmung ausgehend von KA im zeitlichen Verlauf abnimmt, bis zum Ende des Wachstums der III-N(GaN)-Schicht des Templats die um ca. 20-30km-1 geringere Krümmung KE (im Vergleich zu KA) erreicht ist. Abschließend kann auf Raumtemperatur abgekühlt werden (vgl. 1A/B Stufe (6)). Mit einer solchen Verfahrensweise wird es möglich, dass die III-N(GaN)-Schicht des Templats am Ende bei Wachstumstemperatur, d.h. bei einer Dicke im Bereich einiger µm, im wesentlichen nicht gekrümmt ist; z.B. kann der Krümmungswert (KE) bei epitaxialer Wachstumstemperatur im Bereich von maximal ±30 km-1, eher noch bei ±20 km-1 um null liegen. Die Verfahrensweise kann, falls erwünscht, so variiert werden, dass am Ende KE bei Wachstumstemperatur negativ ist und somit das Templat eine konvexe Krümmung aufweist. Nach Abkühlung auf Raumtemperatur zeigt das Templat eine deutlich verstärkte konvexe Krümmung und somit eine merkliche kompressive Verspannung. Wird dieses Templat zu einem gewünschten Zeitpunkt - etwa zum Aufwachsen eines dicken III-N-Massivkristalls - wieder auf Wachstumstemperatur aufgeheizt, wird wieder der Zustand mit im wesentlichen fehlender oder alternativ negativer Krümmung erreicht, was nach den überraschenden erfindungsgemäßen Erkenntnissen eine ausgezeichnete Grundlage für weiteres epitaxiales III-N-Wachstum mit verringerter Neigung zur Rissbildung schafft.
  • In 3 ist ein entsprechender Verlauf (Darstellung und Beschriftung wie in 2 angegeben) anhand von Saphirproben als Ausgangssubstrate gezeigt, wenn anders als in 2 eine Zwischenschicht aus Maskenmaterial deutlich später abgeschieden wird (nämlich 300nm). Zwar nimmt, anders als im Fall der 2, bei dem die Maskenmaterial-Zwischenschicht in sehr geringem Abstand von 15nm abgeschieden wurde, im Fall von 3 eine konkave Krümmung zu (d.h. KA-KE ist < 0). Allerdings zeigt auch die Ausführung nach 3, dass mit einer vorbestimmten Festlegung des Abstands der Krümmungsgrad im erhaltenen Templat gezielt je nach Wunsch eingestellt werden kann. Entsprechend zeigt das Templat von 3 nach Abkühlung auf Raumtemperatur eine deutlich geringere konvexe Krümmung als das Templat der 2. Im Hinblick auf die Vermeidung von Rissbildungen bei weiterem epitaxialen III-N-Wachstum, insbesondere mit dickeren III-N-Schichten, ist die Abscheidung der Maskenmaterial-Zwischenschicht mit sehr geringem Abstand (etwa von 0nm bis etwa 50nm, vgl. stellvertretend 2 mit beispielhaftem Abstand von 15nm) stark vorteilhaft, hier im Vergleich zum Ergebnis nach 3 mit Abstand von etwa 300nm.
  • 4 zeigt schematisch in einer möglichen Variante die zu erwartende Veränderung der Krümmung der Wachstumsoberfläche (rechte Ordinate) und jeweils angewandter Temperatur (linke Ordinate, obere Linie entsprechend Prozesstemperatur, untere Linie entsprechend Wafertemperatur) für den Fall einer möglichen weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der optional eine Abscheidung einer Zwischenschicht mit Maskenmaterial kombiniert wird mit einer Veränderung (hier Verringerung) der III-N-Wachstumstemperatur während des Wachstums der III-N-Schicht des Templats. In dieser möglichen und optionalen Ausführungsform wird nach Bereitstellung eines Fremdsubstrats, die auch das Aufbringen einer sehr dünnen GaN- oder AlN-Nukleationsschicht einschließt (in der Graphik erkennbar in den Abschnitten einer anfänglichen Hochtemperatur- mit anschließender Tieftemperaturphase), zunächst wieder auf Wachstumstemperatur aufgeheizt, dann ggf. eine - hier nicht gezeigte - Rekristallisationsphase angeschlossen, um dann wie oben beschrieben eine Zwischenschicht mit Maskenmaterial abzuscheiden, was wie beschrieben zum Beispiel zu einem Zeitpunkt erfolgen kann, wenn bereits eine über 50nm, oder eine über 100nm und oder eine z.B. 300nm dicke III-N-Schicht gewachsen ist. Zusätzlich und im Unterschied zu den in 1 und 2 dargestellten Basis-Ausführungsformen wird nun aber, entweder gleichzeitig mit dieser Zwischenschichtabscheidung oder in einem bestimmten, vorzugsweise kurzen Zeitraum davor oder danach eine Temperaturabsenkung (vgl. die in 4 angezeigte Temperaturrampe von ca. 30°C nach Anheben auf Wachstumstemperatur) angewandt und dann das Wachstum der III-N-Schicht des Templats bei dieser abgesenkten Temperatur fortgesetzt, um einen zusätzlichen Beitrag zur Krümmungsreduzierung zu erhalten. Im Gesamtergebnis dieser Kombination ist zu erwarten, dass die Krümmung des Templats an der Wachstumsoberfläche im Zuge des weiteren Wachstums abnimmt, d.h. KA-KE deutlich über null liegt, wie im Prinzip in 4 veranschaulicht.
  • Alternativ zu einer Temperaturabsenkung zum fortgesetzten Wachstum der III-N-Schicht des Templats können weitere Prozessparameter angewandt werden, um für die Einhaltung der Beziehung KA-KE > 0 zu sorgen.
  • Weitere Möglichkeiten und verschiedene Ausführungsformen zur Steuerung von Krümmung und/oder von Verspannung in der III-N-Schicht des Templats, um auf dieser Basis mindestens eine weitere III-N-Schicht und ggf. einen dicken Massivkristall mit verringerter Neigung zur Rissbildung auf dem Templat aufzubringen, sind aus 5A, 5B und 5C ersichtlich, wobei 5B und 5C noch Ergebnisse zu Vergleichen ohne Zwischenschicht enthalten (jeweils Linien (B) und (E)). In 5A-C ist das Krümmungsverhalten der III-N-Schicht des Templats bei Wachstumstemperatur gegen deren Dicke aufgetragen. Dabei zeigen 5A und 5B den Abschnitt der Herstellung von entsprechenden Templaten, wobei hier beispielhaft als Wachstumstechnik die MOVPE verwendet wurde, wohingegen 5C einen späteren Abschnitt der Herstellung von dickeren III-N (hier GaN)- Schichten unter Verwendung dieser entsprechenden Templaten zeigt, wobei hier die Wachstumstechnik der HVPE verwendet wurde, welche sich zur Herstellung dickerer Schichten bis hin zu Msssivkristallen besonders gut eignet.
  • Die Ergebnisse zeigen einen konsistenten Trend, dass der Krümmungsverlauf signifikant dadurch beeinflusst wird, wie der Abstand einer einzigen Zwischenschicht von Maskenmaterial gegenüber Ausgangssubstrat bzw. einer optionalen Nukleationsschicht darauf eingestellt ist. Es ist ersichtlich, dass bei der verwendeten experimentellen Konstellation im hier verwendeten System Saphir/GaN die Bedingung Ka-Ke>0 für die Fälle ohne Abstand (d.h. Linie „0nm“) und für die Fälle von Abständen „15nm“ und „30nm“ sicher erfüllt ist und offensichtlich noch für Abstände bis etwa 50nm. Bei größeren Abständen von über 50nm, d.h. wie gezeigt bei 60nm, 90nm und 300nm, ist diese Bedingung primär nicht erfüllt, aber überraschenderweise ist der Anstieg der Krümmung vergleichsweise stark gedämpft mit der Folge, dass ein solcher Anstieg kleiner gehalten werden kann als in Fällen, in denen keine Zwischenschicht von Maskenmaterial aufgebracht wurde (vgl. 5B und C, Vergleichslinien (B) und (E)), und insbesondere wenn auf eine bei niedriger Temperatur abgeschiedenen Nukleationsschicht (LT-GaN-Nukl) gewachsen wurde (vgl. 5 Bund C, Vergleichslinie (E)). Die erfindungsgemäße Verfahrensweise zeigt die wesentlich bessere Steuerbarkeit günstiger Templateigenschaften sowie die Möglichkeit, Templatkrümmungen nach Wunsch genau einzustellen, was für das weitere III-N-Epitaxiewachstum genutzt werden kann.
  • So bestätigt 5A, dass das Vorsehen von nur einer Zwischenschicht von Maskenmaterial in kontrolliert eingestelltem Abstand gegenüber Ausgangssubstrat, ggf. mit darauf gebildeter optionaler Nukleationsschicht, eine sehr präzise Einstellung und Kontrolle eines gewünschten Krümmungswerts zulässt. Ferner ist zu erkennen, dass unter Beachtung relevanter Faktoren wie Abstand der Zwischenschicht von Maskenmaterial und Dicke der gewachsenen III-N-Schicht und damit der Wachstumsdauer ein solcher Zustand im entsprechend fertigen, Substrat-gebundenen III-N-Templat eingestellt werden kann, bei dem das Templat gemäß dem alternativen Lösungsprinzip zur Vermeidung von Rissbildungen bei Wachstumstemperatur nicht oder im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist, d.h. die Krümmung auf höchstens 30km-1, besser auf höchstens 20km-1 oder noch besser auf höchstens 10km-1 begrenzbar ist oder vorzugsweise sogar auf negative Werte einstellbar ist. Darüber hinaus ist es wie beschrieben möglich, die Differenz mit weiteren Prozessparametern wie Temperaturvariationen beim Wachstum der III-N-Schicht des Templats ergänzend zu beeinflussen, und falls gewünscht dafür zu sorgen, dass die spezielle Beziehung sicher KA-KE > 0 eingehalten wird.
  • Das erfindungsgemäß erhaltene Templat weist vorteilhafte Eigenschaften und Merkmale auf, die nachfolgend 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 weiterverarbeitet werden.
  • Ein Templat zur Herstellung von weiterem III-N-Einkristall gemäß der vorliegenden Erfindung ist im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums nicht gekrümmt oder im wesentlichen nicht gekrümmt, oder es ist negativ gekrümmt. Wenn zum Beispiel für das Templat als Substrat Saphir einer Dicke (dSaphir) von 430µm (ungefähr, d.h. ±20µm) und als III-N-Kristallschicht GaN einer Dicke (dGaN) von 7 µm (ungefähr d.h. ±0,5µm) verwendet oder eingestellt wird, so ist der Ausdruck „im wesentlichen nicht gekrümmt“ vorzugsweise so definiert, dass der Krümmungswert (Ke) bei epitaxialer Wachstumstemperatur im Bereich von maximal ±30 km-1, bevorzugt im Bereich von maximal ±10 km-1 um null liegt; der Ausdruck „nicht gekrümmt“ bedeutet dann einen Ke-Wert ungefähr null, z.B. 0±5 km-1 und insbesondere 0±2 km-1; und der Ausdruck „negativ gekrümmt“ ist dann definiert durch eine Krümmung bei Wachstumstemperatur im Bereich von unter 0 kW-1, zum Beispiel im Bereich bis -150 km-1, weiter bevorzugt im Bereich von -25 bis -75 km-1.
  • Es ist zu beachten, dass bei Verwendung anderer Materialien für Fremdsubstrat und III-N als Saphir und GaN der exakte Krümmungswert variieren kann; erfindungsgemäß bleibt es aber bei der beabsichtigten Einstellung einer (im wesentlichen) Nichtkrümmung oder einer negativen Krümmung. Ferner kann bei Einstellung anderer Schichtdicken der Krümmungswert in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtdicken analog der folgenden vereinfachten Stoney-Gleichung variieren, wonach - sofern der Film (dIII-N) wesentlich dünner ist als das Substrat (dSubstrat) - die Beziehung gilt [wobei R= Krümmungsradius und εxx=Deformation (strain)]:
    1/R = 6* (dIII-N/d2 Substrat)* εxx.
  • Unter der Annahme einer sehr dünnen Schicht wird εxx 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 εxx wird vernachlässigt). Somit liegt bei Verwendung der beispielhaften Materialien Saphir und GaN, aber bei Einstellung anderer als den vorgenannten Schichtdicken (dSiphir/dGaN) der Krümmungswert in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtdicken analog der Stoney-Gleichung in folgenden Bereich: K T ( dGaN;dSaphir ) = K T ( 7 μ m ; 430 μ m ) × ( 430 μ m/d Saphir ) 2 × ( d GaN / 7 μ m ) ,
    Figure DE102012204553B4_0004
    wobei im Fall der Wahl anderer Materialien diese Gleichung mit entsprechenden Werten dSubstrat/dIII-N berechnet wird.
  • Für ein erfindungsgemäßes Templat bedeutet dies zum Beispiel ferner, dass wenn bei 430µm Saphir und einer 3,5-4µm dicken GaN-Schicht eine Krümmung von 250km-1 vorliegt, sich bei einem 330µm dicken Saphir-Wafer beim selben Prozess eine Krümmung von 425km-1 ergibt.
  • Es ist ferner zu beachten, dass die Krümmung bei Raumtemperatur je nach Art des Fremdsubstrats im Vergleich zur Krümmung bei Wachstumstemperatur verändert ist, unter Umständen deutlich verändert sein kann. Im Fall der Verwendung von Saphir als Fremdsubstrat zum Beispiel wird dem Templat - infolge der plastischen Verformung während des Abkühlens von der Wachtumstemperatur auf Raumtemperatur, hauptsächlich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen kristallinen Materialien - zusätzlich eine (nur durch extrinsische Kompression erzeugte) Spannung aufgeprägt. Dies soll in 1A und 1B mit einem Zustand der Endstufe (6) des erfindungsgemäß hergestellten Templats bei Raumtemperatur schematisch veranschaulicht werden, wobei gegenüber der Endstufe (5) bei Wachstumstemperatur jeweils eine merklich stärker negative Krümmung vorliegt. Entsprechend wird, ergänzend oder alternativ, darauf geachtet, dass beispielsweise bei den Materialien Saphir und GaN die Krümmung bei Raumtemperatur im Bereich von KT (7µm; 430µm) <-200 km-1, vorzugsweise -200 bis -400 km-1, bevorzugt im Bereich von -300 bis -350 km-1 festgelegt wird; wobei wiederum auf die vereinfachte Stoney-Gleichung für Fälle anderer Schichtdicken, KT(dGaN;dSaphir)= KT(7µm;430µm)×(430µm/dSaphir)2×(dGaN/7µm), Bezug genommen wird.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Templat bei Raumtemperatur für den Fall dSaphir=430µm und dGaN=3,5µm einen Krümmungsradius im Bereich von -4 bis -6m 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 εxx ist dabei folgendermaßen definiert: ε xx = Gitterkonstante a − Gitterkonstante a 0 Gitterkonstante a 0
    Figure DE102012204553B4_0005
    wobei a die tatsächliche Gitterkonstante im Kristall und ao die theoretisch ideale Gitterkonstante darstellt.
  • Röntgen-Verfahren zur Bestimmung absoluter Gitterkonstanten werden in M. A. Moram and M. E. Vickers, Rep. Prog. Phys. 72, 036502 (2009) detailliert diskutiert.
  • Dabei erfolgt die Bestimmung über das Bragg'sche Gesetz n λ=2 d h   k   l sin θ
    Figure DE102012204553B4_0006
    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) beträgt 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 1 d h   k   l 2 = 4 3 h 2 + k 2 + h k a 2 + l 2 c 2
    Figure DE102012204553B4_0007
    aus asymmetrischen Reflexen hkl wie z.B. -105 im 2Theta-scan. Als ideale Gitterkonstante a0 für unverspanntes GaN kann a0 = 3.18926±0.00004Å nach V. Darakchieva, B. Monemar, A. Usui, M. Saenger, M. Schubert, Journal of Crystal Growth 310 (2008) 959-965) angenommen werden. 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 σxx angegeben werden, wobei σ xx = M f ⋅ ε xx
    Figure DE102012204553B4_0008
    wobei Mf das biaxiale Elastizitätsmodul bedeutet. Die Bestimmung der Verspannung σxx 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 Mf von etwa 360 GPa passend und konsistent.
  • Ein Templat gemäß der vorliegenden Erfindung weist im Temperaturbereich eines epitaxialen Kristallwachstums einen Wert εxx ≤ 0 (d.h. einschließlich εxx = 0), insbesondere aber von εxx < 0 auf. Dieser Wert lässt sich direkt aus einer in-situ Messung der Krümmung bestimmen.
  • Neben dem Vorliegen einer Zwischenschicht mit Maskenmaterial weist ein Templat gemäß der vorliegenden Erfindung ferner bei Raumtemperatur eine kompressive Spannung von σxx < -0,70 GPa auf, und/oder die Deformation εxx des Templats bei Raumtemperatur kann auf einen Wert im Bereich von εxx<0, bevorzugt im Bereich 0 > εxx ≥ -0,003, weiter bevorzugt im Bereich -0,0015≥ εxx ≥ -0,0025 und insbesondere im Bereich -0,0020 ≥ εxx ≥ -0,0025 eingestellt sein.
  • 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. DE102005023302A1 und EP 2 299 236 A1 . Diese Krümmungsmessvorrichtungen lassen sich gut mit verfügbaren Anlagen zur Gasphasenepitaxie, wie der MOVPE, HVPE oder MBE (Molecular Beam Epitxy) kombinieren und ermöglichen zudem eine Messung der Temperatur an der Waferoberfläche.
  • Demgemäß erhält man nach dem epitaxialen Kristallwachstum 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 erfindungsgemäße 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.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren zur Herstellung von III-N-Einkristallen 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:
    • 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 keine oder annähernd keine Krümmung aufweist oder eine negative Krümmung aufweist, und
    • bb) Durchführen eines epitaxialen Kristallwachstums zum Bilden von weiterem III-N-Kristall auf dem Templat gemäß aa), wahlweise zum Herstellen eines III-N-Massivkristalls,
    • cc) optional Trennen von III-N-Einkristall oder III-N-Massivkristall und Fremdsubstrat.
  • 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.
  • Das im Schritt aa) bereitgestellte Templat umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform die oben beschriebene Zwischenschicht mit Maskenmaterial, wobei insoweit auf die obige Beschreibung zum Bilden des eine solche Zwischenschicht aufweisenden Templats verwiesen werden kann. Bei diesem Gegenstand der Erfindung nach dem alternativen Lösungsprinzip muss eine solche Zwischenschicht jedoch nicht notwendigerweise vorliegen, weil der im Schritt aa) definierte Krümmungszustand alternativ auch durch andere Bedingungen eingestellt werden kann, etwa allein durch passende Temperaturkontrolle und -variation während des III-N-Wachstums des Templats, wie ebenfalls an anderen Stellen beschrieben.
  • Infolge des Einprägens von Gitterdeformation und von kompressiver Spannung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Zustand des im Schritt aa) bereitgestellten Templats auch dadurch definiert werden, dass der III-N-Kristall des Templats bei Wachstumstemperatur einen Wert εxx ≤ 0 (d.h. einschließlich εxx = 0), insbesondere aber einen εxx-Wert von < 0 aufweist, wobei der Wert bevorzugt im Bereich von 0 > εxx > -0,0006 und weiter bevorzugt im Bereich von -0,0003 > εxx > -0,0006 liegt. Bei Raumtemperatur kann eine kompressive Spannung von σxx < -0,70 GPa vorliegen. Die Deformation εxx bei Raumtemperatur des erfindungsgemäßen Templats weist bevorzugt einen Wert im Bereich 0 > εxx ≥ -0,003, weiter bevorzugt im Bereich -0,0015≥ εxx ≥ -0,0025 und insbesondere im Bereich -0,0020 ≥ εxx ≥ -0,0025 auf.
  • So können in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung III-N-Einkristalle hergestellt werden, die dadurch gewonnen werden, dass - ohne oder mit Unterbrechung dazwischen - ein zusätzliches epitaxiales Kristallwachstum auf dem erfindungsgemäß erhaltenen Templat zum Bilden von weiterem III-N-Kristall durchgeführt wird. Weiteres epitaxiales III-N-Kristallwachstum kann bei einer Wachstumstemperatur durchgeführt werden, die unabhängig von den vorgenannten Kristallwachstumstemperaturen gewählt werden kann.
  • Auch sonstige Bedingungen des weiteren Kristallwachstums auf dem Templat sind nun frei wählbar. So können III-N-Materialien aufgewachsen werden, deren III-Komponente nach Wunsch gewählt und variiert werden kann. Entsprechend können mindestens eine (ggf. weitere) GaN-, AlN-, AlGaN-, InN-, InGaN-, AlInN- oder AlInGaN-Schicht(en) zur Herstellung entsprechend dickerer III-N-Schichten oder III-N-Einkristalle aufgebracht werden. Bevorzugt bilden sowohl die III-N-Kristallschicht des Templats als auch der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristall ein rein binäres System, z.B. GaN, AlN oder InN, oder die III-N-Kristallschicht des Templats ist ein binäres System, insbesondere GaN (mindestens hauptsächlich, da die Nukleationsschicht wahlweise aus einem anderen Material bestehen kann, wie z.B. AlN), und der darauf epitaxial aufgewachsene III-N-Kristall ist ein frei wählbares binäres oder ternäres III-N-Material, insbesondere wiederum binäres GaN.
  • Schritt bb) kann sich unmittelbar an Schritt aa) anschließen, alternativ kann das Verfahren dazwischen unterbrochen werden. Es ist es möglich, den Reaktor zwischen den Schritten zu wechseln, was wiederum das Aufwachsen von III-N-Kristallen im Schritt bb) über eine andere Aufwachsmethode ermöglicht, als bei der Herstellung des bereitgestellten Templats nach Schritt aa) 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 bb) unter HVPE-Bedingungen ermöglicht hohe Wachstumsraten und entsprechend das Erreichen dickerer Schichten. Es können aber auch alle Schritte des Verfahrens, welche das gesamte Wachstum einschließlich der Templatbildung und dem anschließenden Abscheiden der weiteren epitaxialen III-N-Schicht betrifft, in einer einzigen Anlage mit einer bestimmten Wachstumstechnik, beispielsweise nur mittels HVPE, durchgeführt werden, so dass die Schritte aa) und bb) in demselben Reaktor durchgeführt werden.
  • 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 mit deutlich verringertem Risiko von Rissbildungen dicke III-N-Einkristalle sehr guter Kristallqualität 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. Aufgrund der Rissfreiheit kann vorteilhaft die gesamte Dicke des Massivkristalls genutzt werden.
  • Nach Beendigung des epitaxialen Kristallwachstums zur Herstellung eines III-N-Einkristalls kann optional der rissfreie III-N-Einkristall vom Substrat getrennt werden (optionaler Schritt 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 erfolgen.
  • Weist der epitaxial gewachsene III-N-Einkristall eine ausreichend große 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 Laser.
  • In allen Verfahrensstufen, insbesondere bei den eigentlichen, epitaxial gewachsenen III-N-Schichten und entsprechend im erfindungsgemäßen III-N-Einkristall ist der Einschluss von Dotierungen möglich. Geeignete Dotierungen umfassen n- sowie p-Dotierungen und können Elemente umfassen, die ausgewählt 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 ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus C, Fe, Mn und Cr.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der rissfreie 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 ao von GaN kann hier der Wert ao =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 ≤ εzz < +0,0001.
  • Beispiele
  • Die nachfolgenden Beispiele beziehen sich auf GaN-Wachstum auf einem Saphir-Startsubstrat zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Templats, was das Prinzip der Erfindung veranschaulicht und repräsentativ für andere III-N-Kristalle und andere Startsubstrate steht.
  • Beispiel 1
  • Als Wachstumstechnik wird eine MOVPE auf vorbehandeltem Saphir (der einer Desorption und einer Nukleation unterworfenen wird) mit den nachfolgend wiedergegebenen Details verwendet. Die hier genannten Temperaturen beziehen sich auf die nominell eingestellte Temperatur der Heizer; die Temperatur am Templat bzw. Kristall liegt tiefer, teilweise bis um ca. 70 K tiefer (vgl. 2 und 3: hier ist mit der oberen Linie die Heizertemperatur und mit der unteren Linie die gemessene Temperatur der Waferaufnahme dargestellt).
  • Reaktor:
  • MOVPE-Reaktor Aixtron 200/4 RF-S, Einzel-Wafer, horizontal
  • Fremdsubstrat:
  • c-plane Saphirsubstrat, off-cut 0,2° in m-Richtung
    430 µm Dicke
    unstrukturiert
  • Desorptionsschritt (Fig. 1 (1); 100)
  • Reaktordruck: 100 mbar
    Aufheizen: Von 400 °C auf 1200 °C in 7 min
    Reaktortemperatur: 1200°C
    Prozesstemperaturdauer: 10 min in H2-Atmosphäre
    Abkühlung auf 960°C
  • Nukleationsschritt (Fig. 1 (2); 101)
  • Gasströme: 25 sccm Trimethylaluminium (TMAI), Bubbler: 5° C, 250 sccm NH3 Abkühlung auf 960°C
    Öffnen der Ventile
    Nukleation: 10 min
    Erhöhung des Ammoniakflusses auf 1.6 slm
  • T-Rampe; ggf. Kristallwachstum (Fig 1 (2) bis vor (3); 103)
  • Aufheizen von 960 °C auf 1100 °C in 40 sec
    Reaktordruck: 150 mbar, H2-Atmosphäre
    Gasströme: ggf. 16-26 sccm Trimethylgallium (TMGa), 2475 sccm NH3
    Kristallwachstumszeit: 0 - 10 min (entsprechend 0-300 nm)
  • SiN-Abscheidung (Fig 1 (3); 102)
  • Gasströme:: 0,113µmol/min Silan, 1475sccm NH3
    Kein TMGa
    Druck: 150 mbar
    Temp: 1100°C
    Dauer: 3 min
  • weiteres Kristallwachstum: (Fig 1 (4); 104)
  • 1100 °C
    Reaktordruck: 150 mbar, H2-Atmosphäre
    Gasströme: 26 sccm TMGa, 2000 sccm NH3
    Kristallwachstumszeit 90-240 min, entsprechend 3-10 µm GaN-Dicke
  • Wachstumsende und Abkühlung: (Fig 1 (5)-(6))
  • Abschalten von Heizung und TMGa-Strom
    Reduzierung NH3: 2000 sccm auf 500 sccm in 40 sec
    Abschalten: NH3-Strom unter 700 °C
    Umschalten: NH3-Strom auf N2-Strom
  • 5A zeigt den Verlauf der Krümmung bei Wachstumstemperatur (1350°K), aufgetragen gegen die Dicke der gewachsenen GaN-Schicht und damit im zeitlichen Verlauf, unterschieden je nach Abstand der SiN (SixNy) gegenüber der AIN-Nukleationsschicht. Der Nullpunkt bezieht sich hierbei auf den Beginn des fortgesetzten Wachstum der III-N-Schicht 104A,104B (d.h. nach Stufe (3) und vor bzw. bei Stufe (4) in 1A/1B) Das Krümmungsverhalten kann gezielt und präzise gesteuert werden. Die nachfolgende Tabelle 1 gibt die in situ, also bei Wachstumstemperatur gemessenen εxx-Werte und die bei Raumtemperatur gemessenen Krümmungswerte C (km-1) und die über C ermittelten εxx-Werte bei Raumtemeratur gegen Ende der Templatfertigung mit jeweiligen Dicken um ca. 7µm wieder. Tabelle 1
    Distanz AlN und SiN Dicke (µm) ε in-situ C @ RT (km-1) ε @ RT
    0 nm 7,21 -6.00E-04 -396 -2,27E-03
    15 nm 7,09 -4,50E-04 -365 -2,13E-03
    30 nm 6,76 -4,00E-04 -367 -2,24E-03
    60 nm 6,73 1,10E-04 -298 -1,83E-03
    90 nm 6,81 1.00E-04 -299 -1,82E-03
    300 nm 7,29 2,50E-04 -293 -1,66E-03
  • Beispiel 2 und Vergleichsbeispiele
  • Auf ausgewählten, gemäß Beispiel 1 hergestellten Templaten, bei denen GaN-Schichten mit SiN-Zwischenschichten direkt auf der Nukleationsschicht (Probe A) oder nach sehr geringen (15-30nm; Probe D) oder größeren (300nm; Probe C) Abständen abgeschieden wurden oder gemäß Vergleichsbeispielen bei denen GaN ohne SiN (Probe B) oder auf Niedrigtemperatur-GaN-Nukleationsschicht (Probe E) gewachsen waren, wurde analog zu Beispiel 1 die Krümmung verfolgt, und zwar im Bereich eines MOVPE-Wachstums bis ca. 7µm wie in 5B gezeigt, oder bei Durchführung von weiterem HVPE-Wachstum bis ca. 25µm wie in 5C gezeigt. Die Ergebnisse der 5B und 5C zeigen nochmals das deutlich bessere Ergebnis hinsichtlich Einstellung und Verhalten der Krümmung der erfindungsgemäßen Template (A), (C) und (D) im Vergleich zu den Vergleichstemplaten (B) und (E) ohne SiN-Zwischenschicht.
  • Weitere Vergleichsbeispiele
  • In weiteren Vergleichsbeispielen können wiederum ähnliche Versuchsbedingungen verwendet werden, außer dass keine Zwischenschicht von Maskenmaterial abgeschieden wird.
  • 6 zeigt typische in-situ Daten des MOVPE-Wachstums von GaN auf Saphir in einem weiteren Vergleichsbeispiel, wobei in der unteren Graphik die Entwicklung der Verkrümmung während des Prozesses für drei unterschiedliche Saphirsubstrate gezeigt ist (vgl. Brunner et al. in J. Crystal Growth 298, 202-206 (2007)). Die Pfeile verweisen auf die abzulesenden Krümmungswerte KA und KE. Mit einer Krümmung KA von 50 km-1 und einer Krümmung KE: von 70 km-1 gilt hier KA-KE<0, d.h. die GaN-Schicht ist bei Wachstumstemperatur intrinsisch tensil verspannt. Durch eine Abkühlung wird dieser Verspannung der GaN-Schicht eine extrinsisch kompressive Verspannung überlagert.

Claims (19)

  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 Schritte Bereitstellen eines Substrats, das LiAlO2 oder Saphir umfasst, und Wachstum eines kristallinen III-N-Materials auf dem Substrat umfasst, wobei ein Maskenmaterial als Zwischenschicht im kristallinen III-N-Material in einem Abstand vom Substrat oder der gegebenenfalls vorgesehenen III-N-Nukleationsschicht abgeschieden wird und danach das Wachstum des kristallinen III-N-Materials fortgesetzt wird, und wobei, wenn während des Kristallwachstums die Krümmung der Wachstumsoberfläche des III-N-Kristalls zu einem ersten, relativ früheren Zeitpunkt mit Ka und zu einem zweiten relativ späteren Zeitpunkt mit Ke bezeichnet wird, sich eine Krümmungsdifferenz Ka-Ke ≥ 0 einstellt, wobei das Maskenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus SixNy, TiN, AlXOY, SiXOY, WSi, und WSiN besteht, wobei x und y jeweils unabhängig voneinander positive Zahlen bedeuten, die zu jeweiligen stöchiometrischen oder unstöchiometrischen Verbindungen von SiN, AIO bzw. SiO führen, wobei die Zwischenschicht des Maskenmaterials bei einem maximalen Abstand vom Substrat, bzw. der gegebenenfalls darauf gebildeten III-N-Nukleationsschicht, von 300 nm abgeschieden wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, die Krümmungsdifferenz (Ka-Ke) mindestens 5 km-1, bevorzugt mindestens 10 km-1, weiter bevorzugt mindestens 20 km-1 und insbesondere mindestens 50 km-1 beträgt.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Templat weiterverwendet wird zum Aufbringen von einer oder mehreren weiteren III-N-Kristallschicht(en), wahlweise zum Herstellen von III-N-Massivkristall, wobei die III-N-Kristallschicht(en) oder der III-N-Massivkristall epitaxial gewachsene GaN-, AIN-, AlGaN-, InN-, InGaN-, AlInN- oder AlInGaN-Kristalle umfasst.
  4. 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 nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, welches ein Substrat und eine III-N-Kristallschicht umfasst, wobei das Templat im Bereich einer Wachstumstemperatur nicht oder im wesentlichen nicht gekrümmt ist oder negativ gekrümmt ist, bb) Durchführen eines epitaxialen Kristallwachstums zum Bilden von weiterem III-N-Kristall, wahlweise zum Herstellen von III-N-Massivkristall auf dem Templat gemäß aa), cc) optional Trennen von III-N-Einkristall oder III-N-Massivkristall und Fremdsubstrat.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im bereitgestellten Templat im Bereich über dem Fremdsubstrat oder in der III-N-Kristallschicht des Templats ein Maskenmaterial als Zwischenschicht abgeschieden ist.
  6. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenn für das Templat als Substrat Saphir einer Dicke (dSaphir) von ungefähr 430µm (d.h. ±20µm) und als III-N-Kristallschicht des GaN einer Dicke (dGaN) von ungefähr 7 µm (d.h. ±0,5µm) verwendet oder eingestellt wird, beim III-N-Kristall eine Krümmung des Templats (KT) an der Wachstumsoberfläche (i) bei Wachstumstemperatur im Bereich von 0 bis -150 km-1, bevorzugt im Bereich von -25 bis -75 km-1 festgelegt wird, und/oder (ii) bei Raumtemperatur im Bereich von <-200 km-1 , vorzugsweise -200 bis -400 km-1, weiter bevorzugt im Bereich von -300 bis -350 km-1 festgelegt wird; wobei bei Verwendung oder Einstellung anderer Schichtdicken (dSaphir/dGaN) der Krümmungswert in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtdicken analog der Stoney-Gleichung im folgenden Bereich liegt: K T ( dGaN;dSaphir ) = K T ( 7 μ m ; 430 μ m ) × ( 430 μ m/d Saphir ) 2 × ( d GaN / 7 μ m ) .
    Figure DE102012204553B4_0009
  7. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im kristallinen III-N-Material eine kompressive Verspannung erzeugt wird.
  8. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht des Maskenmaterials bei einem maximalen Abstand vom Substrat, bzw. der gegebenenfalls darauf gebildeten III-N-Nukleationsschicht, 100nm, bevorzugt bis maximal 50 nm, abgeschieden wird.
  9. Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei das Maskenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus Si3N4, Al2O3, SiO2,besteht.
  10. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Fremdsubstrat ist und Saphir umfasst.
  11. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung des III-N-Kristalls des Templats in mindestens einer Wachstumsphase durch Variieren der Wachstumstemperatur zusätzlich verändert wird, wobei für den Fall der Verwendung eines Fremdsubstrats, welches einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der zu wachsende III-N-Kristall, ein Wachstum bei einer gegenüber einer vorherigen III-N-Abscheidung abgesenkten Wachstumstemperatur erfolgt, oder wobei für den Fall der Verwendung eines Fremdsubstrats, welches einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als der zu wachsende III-N-Kristall, ein Wachstum bei einer gegenüber einer vorherigen III-N-Abscheidung erhöhten Wachstumstemperatur erfolgt.
  12. 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 3 bis 11 zum Bilden eines III-N-Massivkristalls, und b) Vereinzeln des Massivkristalls zum Bilden von Wafern.
  13. Templat mit einem Substrat, das LiAlO2 oder Saphir umfasst, und mindestens einer III-N-Kristallschicht, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet, wobei in der III-N-Kristallschicht des Templats ein Maskenmaterial als Zwischenschicht im kristallinen III-N-Material vorgesehen ist, wobei die Zwischenschicht des Maskenmaterials bei einem maximalen Abstand vom Substrat, bzw. der gegebenenfalls darauf gebildeten III-N-Nukleationsschicht, von 300 nm vorgesehen ist, wobei in der III-N-Kristallschicht des Templats ein Wert εxx bei Raumtemperatur von εxx≤0 eingestellt ist, wobei das Maskenmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe, die aus SixNy, TiN, AlxOy, SixOy, WSi und WSiN besteht, wobei x und y jeweils unabhängig voneinander positive Zahlen bedeuten, die zu jeweiligen stöchiometrischen oder unstöchiometrischen Verbindungen von SiN, AIO bzw. SiO führen .
  14. Templat nach Anspruch 13, wobei die III-N-Kristallschicht des Templats einen Wert εxx bei Wachstumstemperatur von εxx ≤ 0 aufweist.
  15. Templat gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei in der III-N-Kristallschicht des Templats der Wert εxx bei Raumtemperatur im Bereich von εxx<0, weiter bevorzugt im Bereich 0 > εxx ≥ -0,003, vorzugsweise im Bereich -0,0015 ≥ εxx ≥ -0,0025 und insbesondere im Bereich -0,0020 ≥ εxx ≥ -0,0025 eingestellt ist.
  16. Templat gemäß ein Anspruch 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenn für das Templat als Substrat Saphir einer Dicke (dSaphir) von ungefähr 430µm (d.h. ±20µm) und als III-N-Kristallschicht des GaN einer Dicke (dGaN) von ungefähr 7µm (d.h. ±0,5µm) verwendet oder eingestellt wird, beim III-N-Kristall eine Krümmung des Templats (KT) (i) bei Wachstumstemperatur im Bereich von 0 bis -150 km-1, bevorzugt im Bereich von -25 bis -75 km-1 festgelegt ist; und/oder (ii) bei Raumtemperatur im Bereich von -200 bis -400 km-1, bevorzugt im Bereich von -300 bis -400 km-1 festgelegt ist, wobei bei Verwendung oder Einstellung anderer Schichtdicken (dSaphir/dGaN) der Krümmungswert in Abhängigkeit der jeweiligen Schichtdicken analog der Stoney-Gleichung im folgenden Bereich liegt: K T ( dGaN;dSaphir ) = K T ( 7 μ m ; 430 μ m ) × ( 430 μ m/d Saphir ) 2 × ( d GaN / 7 μ m ) .
    Figure DE102012204553B4_0010
  17. Verwendung eines Templats gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16 zur Herstellung von dickeren III-N-Schichten oder III-N-Kristallboules bzw. -Massivkristallen, die optional danach in einzelne III-N-Wafer vereinzelt werden.
  18. Verwendung von nach Anspruch 12 hergestellten III-N-Wafern, oder Verwendung eines Templats gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, jeweils zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, elektronischen oder optoelektronischen Bauelementen.
  19. Verwendung eines Maskenmaterials als Zwischenschicht in einem Templat gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, welches ein Substrat und eine III-N-Kristallschicht aufweist, wobei III mindestens ein Element der dritten Hauptgruppe des Periodensystems, ausgewählt aus der Gruppe von Al, Ga und In, bedeutet, zum Steuern eines Krümmungswerts und/oder einer Verspannung des Templats, um nach Einstellung eines bestimmten Krümmungswerts und/oder einer bestimmten Verspannung mindestens eine weitere III-N-Kristallschicht auf dem Substrat aufzubringen.
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