DE102013009824A1 - A semiconductor device having nano pillars of group III-nitride material and fabrication method for such semiconductor device - Google Patents

A semiconductor device having nano pillars of group III-nitride material and fabrication method for such semiconductor device

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung (10), umfassend eine Mehrzahl nanoskaliger Halbleitersäulen (1) bestehend aus Gruppe III-Nitridmaterial und ein Substrat (2), mit einer durchgehenden, lochfreien Oberflächenschicht, die Titannitrid(TiN) und/oder Titanmonoxid(TiO) enthält, auf der die Mehrzahl der Halbleitersäulen (1) angeordnet ist. The invention relates to a semiconductor device (10) comprising a plurality of nanoscale semiconductor columns (1) consisting of Group III-nitride material and a substrate (2), with a continuous, pinhole-free surface layer, the titanium nitride (TiN) and / or titanium monoxide (TiO) contains on which the plurality of semiconductor columns (1) is arranged.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit Nanosäulen bestehend aus Gruppe III-Nitridmaterial, wie z. The invention relates to a semiconductor device having nano pillars consisting of Group III-nitride material, such. B. Gallium (Ga), Aluminium (Al) und Indium (In) verbunden mit Stickstoff (N), und ein Herstellungsverfahren für eine solche Halbleitervorrichtung. As gallium (Ga), aluminum (Al) and indium (In) connected to nitrogen (N), and a manufacturing method for such a semiconductor device.
  • Dünne Gruppe III-Nitridschichten bilden die Grundlage für Leuchtdioden und Transistoren und wurden bisher homoepitaktisch oder heteroepitaktisch gezüchtet. Thin group III nitride layers form the basis of light-emitting diodes and transistors, and have been grown homoepitaxially or heteroepitaxially. Große wirtschaftliche Bedeutung als Substratmaterial haben Si, SiC und alpha-Al203. have great economic importance as a substrate material Si, SiC and alpha-Al203. Diese Substrate sind nicht hoch leitfähig, so dass die Kontaktierung von Bauelementen durch geeignete zusätzliche Prozessierung erfolgen muss. These substrates are not highly conductive so that the contacting of components must be performed by appropriate additional processing.
  • Weiterhin ist bekannt, dass Gruppe III-Nitrid-Nanosäulen, nachfolgend auch als III-N-Nanosäulen bezeichnet, in hoher Kristallqualität auf Fremdsubstraten gezüchtet werden können. Furthermore, it is known that Group III nitride nanorods, also referred to as III-N nano-pillars can be grown in high crystal quality on foreign substrates. Auch wurde gezeigt, dass III-N-Nanosäulen zu Bauteilen integriert werden können, z. It was also shown that III-N nanorods can be integrated into components such. B. Leuchtdioden. B. LEDs. Bisher wurden III-N-Nanosäulen überwiegend auf einkristallinen Substraten aus GaN, AlN, Saphir oder Si in Epitaxieverfahren mit oder ohne Katalysator gezüchtet. So far, III-N nano-columns were mainly grown on monocrystalline substrates made of GaN, AlN, sapphire or Si in epitaxial process with or without a catalyst. Die Notwendigkeit zur Verwendung derartiger einkristalliner Fremdsubstrate schränkt die Wahl möglicher Materialien für die Substrate ein. The need for using such a single-crystal substrates foreign restricts the choice of possible materials for the substrates. Eine Ausweitung der möglichen Substratmaterialien könnte zu einfacheren und günstigeren Herstellungsprozessen führen. An extension of the possible substrate materials could lead to simpler and cheaper manufacturing processes.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die Nachteile herkömmlicher Halbleitereinrichtungen basierend auf Gruppe III-Nitriden vermeidet. An object of the invention is to provide a semiconductor device which avoids the disadvantages of conventional semiconductor devices based on group III-nitrides. Die Halbleitervorrichtung soll insbesondere für eine Herstellung effizienterer elektrischer Bauteile geeignet sein, beispielsweise lichtemittierender oder opto-elektronischer Bauteile. The semiconductor device should be particularly suitable for production of more efficient electrical components, such as light emitting or opto-electronic components. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, eine Halbleitervorrichtung bereitzustellen, die die kosteneffizientere, flexiblere und einfachere Herstellung solcher Bauteile ermöglicht. The object of the invention is in particular to provide a semiconductor device which enables the cost-effective, more flexible and simpler production of such components. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit Nanosäulen bestehend aus Gruppe III-Nitridmaterial bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Verfahren vermieden werden können. A further object is to provide a method for manufacturing a semiconductor device having nano pillars consisting of Group III-nitride material can be avoided with the disadvantages of conventional methods.
  • Diese Aufgaben werden jeweils durch eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. These objects are respectively solved by a semiconductor device and a method having the features of the independent claims. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Advantageous embodiments and applications of the invention result from the dependent claims.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Halbleitervorrichtung eine Mehrzahl nanoskaliger Halbleitersäulen bestehend aus Gruppe III-Nitridmaterial, nachfolgend als III-N-Säulen bezeichnet. According to the present invention, the semiconductor device comprises a plurality of nanoscale semiconductor columns consisting of Group III-nitride material, hereinafter referred to as III-N columns. Derartige nanoskalige Säulen werden auch als Nanodrähte, Nanosäulen oder auf Englisch als „nanowires”, „nanocolumns” oder „nanorods” bezeichnet. Such nanoscale columns are referred to as nanowires, nanorods or in English as "nanowires", "nano columns" or "nanorods". Derartige III-N-Säulen können mit Heterostrukturen versehen sein, so dass die III-N-Säulen Abschnitte verschiedener Kristalltypen aufweisen, um das Halbleiterelement mit bestimmten optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften auszustatten. Such III-N-columns can be provided with heterostructures, such that the III-N-column sections of different types of crystals have to provide the semiconductor element having particular optical, electrical, mechanical and / or thermal properties. Das Gruppe III-Nitridmaterial kann aus einer Mischung der Materialen Gallium (Ga), Aluminium (Al), Indium (In) und Stickstoff (N) bestehen, welche sich beschreiben lässt durch die Formel Ga(X)Al(Y)In(Z)N, mit 0 ≤ X ≤ 1, 0 ≤ Y ≤ 1,0 ≤ Z ≤ 1, und X + Y + Z = 1. Weiterhin kann das Gruppe III-Nitridmaterial aus Galliumnitrid (GaN) bestehen. The group III-nitride material may consist of a mixture of the materials gallium (Ga), aluminum (Al), indium (In), and nitrogen (N) exist, which can be described by the formula Ga (X) Al (y) (Z ) N, where 0 ≤ X ≤ 1, 0 ≤ Y ≤ 1.0 ≤ Z ≤ 1, and X + Y + Z = 1. Further, the group III-nitride material may be formed of gallium nitride (GaN) are made.
  • Gemäß allgemeinen Gesichtspunkten der Erfindung ist die Mehrzahl der III-N-basierten Halbleitersäulen auf einem Substrat mit einer durchgehenden, lochfreien Oberflächenschicht, die Titannitrid(TiN) und/oder Titanmonoxid(TiO) enthält, angeordnet. According to general aspects of the invention, the plurality of III-N-based semiconductor columns on a substrate with a continuous, pinhole-free surface layer, the titanium nitride (TiN) and / or titanium monoxide (TiO) arranged contains. Das Substrat kann insbesondere als Film, Folie oder als Oberflächenschicht auf einem weiteren Trägersubstrat ausgebildet sein. The substrate may be formed as a film, sheet or as a surface layer on a further carrier substrate in particular.
  • Der Begriff „durchgehende Oberflächenschicht” bedeutet, dass die III-N-Nanosäulen auf einer geschlossenen bzw. maskenfreien Oberfläche angeordnet sind und beispielsweise nicht auf einer Lochstruktur, wie einer Maske, die aus dem Stand der Technik bekannt ist, um das Wachstum von Halbleiterstrukturen auf selektive Substratregionen zu beschränken. The term "continuous surface layer" means that the III-N nano-columns are arranged on a closed or mask-free surface, and for example, not on a perforated structure, such as a mask, which is known from the prior art, the growth of semiconductor structures on to restrict selective substrate regions.
  • Vorzugsweise besteht das Substrat aus TiN und/oder TiO, die als Vorprodukte für industrielle Fertigungsprozesse kostengünstig zur Verfügung stehen. Preferably, the substrate consists of TiN and / or TiO, which are available as intermediates for industrial manufacturing processes available at low cost.
  • Die Erfinder haben herausgefunden, dass trotz der Unterschiede in der chemischen Bindung, der Kristallsymmetrie (hexagonal vs. kubisch), und der Diskrepanz in den Gitterkonstanten zwischen III-N Halbleitern und TiN bzw. TiO, III-N-Säulen direkt auf einer TiN- und/oder TiO-Substratschicht mit gängigen Epitaxie-Verfahren zur Züchtung von III-N-Nanosäulen auf Fremdsubstraten hergestellt werden können. The inventors have found that, despite the differences in the chemical bond, the crystal symmetry (hexagonal vs. cubic), and the discrepancy in the lattice constants between III-N semiconductors and TiN and TiO, III-N-pillar directly on a TiN and / or TiO-layer substrate can be manufactured with conventional epitaxial growth method of III-N-nanopillars on foreign substrates.
  • Bisher wurde davon ausgegangen, dass TiO und/oder TiN kein passendes Substrat für die Herstellung von Gruppe III-Nitriden darstellt, weshalb Titanverbindungen als Material für Masken verwendet wurden, mit dem Ziel der Verhinderung des Wachstums des Gruppe III-Nitridmaterials, was aus dem Stand der Technik bekannt ist. So far it has been assumed that TiO and / or TiN is not a suitable substrate for the production of group III-nitrides, for which reason the titanium compounds were used as a material for masks, with the objective of preventing the growth of the group III-nitride material, which from the prior is known in the art.
  • Sowohl TiN als auch TiO zeigen ausgeprägtes metallisches Verhalten, wie die Leitfähigkeit für elektrischen Strom. Both TiN as TiO also show pronounced metallic behavior, such as the conductivity of electricity.
  • Ein besonderer Vorzug der Erfindung ist daher, dass die Oberflächenschicht des Substrats eingerichtet sein kann, einen elektrischen Kontakt bereitzustellen, beispielsweise kann ein Abschnitt der Substratoberfläche aus TiO oder TiN als elektrischer Kontakt ausgebildet sein, so dass dieser mit einer Versorgungsleitung koppelbar ist. A particular advantage of the invention is therefore that the surface layer of the substrate may be arranged to provide an electrical contact, for example a portion of the substrate surface from TiO or TiN as an electrical contact may be formed so that it can be coupled to a supply line. Dies hat den Vorteil, dass eine zusätzliche Prozessierung zur Kontaktierung von Bauelementen auf Basis der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung nicht mehr erforderlich ist, da die leitende Kontaktschicht aus TiN und/oder TiO der III-N-Nanosäulen bzw. die Substratoberfläche, auf der die III-N-Nanosäulen stehen, direkt als elektrischer Kontakt genutzt werden kann. This has the advantage that an additional processing for the contacting of components is no longer necessary on the basis of the semiconductor device according to the invention, since the conductive contact layer of TiN and / or TiO the III-N nano-pillars or the substrate surface on which the III-N -Nanosäulen stand, can be used directly as an electrical contact.
  • Beispielsweise kann der elektrische Kontakt als Bodenelektrode einer Leuchtdiode verwendet werden. For example, the electrical contact can be used as a bottom electrode of a light emitting diode. Dadurch können die ohmschen Verluste an der Aufstandsoberfläche der Nanosäulen reduziert werden. Thus, the ohmic losses at the contact surface of the nanorods can be reduced. Durch den Wegfall der sonst erforderlichen Prozessierung zur Kontaktierung der Nanosäulen auf einem nicht leitenden Substrat können zudem Kosteneinsparungen bei der Herstellung realisiert werden. By eliminating otherwise necessary processing for contacting the nanorods on a non-conductive substrate cost savings in the production can also be realized.
  • Neben der beispielhaft hervorgehobenen Anwendung der erfindungsgemäßen Halbleiter-Einrichtung als lichtemittierendes Bauelement (LED) umfassen weitere bevorzugte Anwendungen die Bereitstellung eines elektronischen Bauelements, z. In addition to the example highlighted application of the semiconductor device according to the invention as a light emitting device (LED) Another preferred applications include the provision of an electronic component, such. B. in einem integrierten Schaltkreis, eines opto-elektronischen Bauelements, z. As in an integrated circuit, an optoelectronic device, such. B. einer Solarzelle, eines elektro-mechanischen Bauelements oder eines thermo-elektrischen Bauelements. As a solar cell, an electro-mechanical device or a thermo-electric device. Vorzugsweise ist die die leitende Substratschicht oder ein Bereich aus TiN und/oder TiO des Substrats als elektrischer Kontakt des Bauelements ausgebildet. Preferably, the conductive substrate layer or an area of ​​TiN and / or TiO of the substrate is formed as an electrical contact of the device. Weiter vorzugsweise umfasst das Bauelement eine Versorgungsleitung, die mit dem elektrischen Kontakt koppelbar oder verbunden ist. More preferably, the device comprises a supply line which can be coupled with the electrical contact or joined.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet das TiN und/oder das TiO eine polykristalline Schicht mit Domänen, die größer sind als ein Durchmesser in Lateralrichtung der III-N-Säulen bzw. als eine Aufstandsfläche der III-N-Säulen. According to a particularly preferred embodiment of the invention, the TiN and / or TiO forms a polycrystalline film with domains that are larger than a diameter in the lateral direction of the III-N-pillars or as a contact surface of the III-N columns. Gemäß diesem Merkmal weist die TiN- bzw. TiO-Schicht eine Textur bestehend aus einzelnen Domänen auf. According to this feature, the TiN- or TiO-layer has a texture consisting of individual domains.
  • Gemäß dieser Ausführungsform weisen die Domänen der polykristallinen Schicht jeweils zumindest eine kristallographische Vorzugsorientierung auf, die im Wesentlichen senkrecht zu einer planaren Ausdehnung der polykristallinen Schicht ist und im Wesentlichen parallel zu einer der beabsichtigten Wachstumsrichtungen der Nanosäulen. According to this embodiment, the domains of the polycrystalline layer each comprise at least a crystallographic preferred orientation, which is substantially perpendicular to a planar expansion of the polycrystalline layer and substantially parallel to one of the intended growing directions of the nanorods. Hierbei können die Vorzugsrichtungen verschiedener Domänen relativ zueinander verdreht sein, ohne dass dies das quasi-parallele Wachstum der III-N-Nanosäulen beeinflussen würde. Here, the preferred directions of various domains can be rotated relative to each other without that this would affect the quasi-parallel growth of the III-N-nanocolumns.
  • Dies hat den Vorteil, dass zueinander parallele oder zumindest im Wesentlichen parallele III-N-Nanosäulen auch ohne einkristalline Trägersubstrate hergestellt werden können. This has the advantage that mutually parallel or at least substantially parallel III-N nano-columns may be produced without monocrystalline carrier substrates. Eine III-N-Nanosäule wächst epitaktisch selbstorganisiert entlang der vorgegebenen Vorzugsorientierung derjenigen Domäne, auf der die III-N-Nanosäule entsteht. A III-N-nanocolumn epitaxially growing a self-organized along the given preferred orientation to that domain on which the III-N-nanocolumn occurs. Eine Ausrichtung der Vorzugsrichtung bzw. der III-N-Nanosäulen, die „im Wesentlichen” parallel ist, bedeutet, dass auch Abweichungen von einigen Grad, beispielsweise kleiner als 10 Grad, in den Vorzugsorientierungen der Domänen bzw. der Nanosäulen von der Erfindung umfasst sein sollen. An alignment of the preferred direction or the III-N nano-columns, the "substantially" is parallel, means that deviations of a few degrees, for example less than 10 degrees includes, in the preferred orientations of the domains or the nanorods of the invention may be should. Abhängig vom Abstand und Länge der Nanosäulen können diese auch bei einer leichten Schräglage an ihrem oberen Endbereich mit einer gemeinsamen elektrischen Kontaktschicht verbunden werden. Depending on the distance and length of the nano-columns, they can be connected to a common electrical contact layer even with a slight tilt at its upper end portion.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform kann das Substrat mit TiN und/oder TiO auf einem Trägersubstrat angeordnet sein, das aus einem amorphen Material gebildet ist, so dass der Einsatz teurer einkristalliner Substrate zur Herstellung von III-N-Nanosäulen vermieden werden kann. In a further advantageous embodiment, the substrate with TiN and / or TiO may be disposed on a carrier substrate, which is formed of an amorphous material, so that the use of expensive single-crystal substrates for the production of III-N-nanopillars can be avoided. Der Einsatz amorpher Materialen ermöglicht eine verbesserte Skalierbarkeit im Herstellungsverfahren von Halbleitervorrichtungen, so dass anstatt organischer Leuchtdioden auch anorganische LEDs zur Herstellung sehr großer Leuchtflächen eingesetzt werden können. The use of amorphous materials allows for improved scalability in the manufacturing process of semiconductor devices, so that instead of organic light emitting diodes and inorganic LEDs for producing very large luminous surfaces may be used.
  • Beispielsweise kann das Trägersubstrat aus einem amorphen Material wie Quarzglas oder thermisch oxidiertem Silizium gebildet sein. For example, the carrier substrate may be formed of an amorphous material such as quartz glass or thermally oxidized silicon. Weiter kann das Trägersubstrat aus einer metallischen Folie, z. Furthermore, the carrier substrate may be made of a metallic foil, z. B. aus Tantal, gebildet sein. Be formed as tantalum.
  • Das Substrat aus TiN und/oder TiO kann als Trägerschicht auf einer Vielzahl unterschiedlicher Materialen als Oberflächenschicht aufgebracht werden, so dass die Erfindung eine hohe Flexibilität bei der Wahl geeigneter Trägersubstrate und der Herstellung derartiger Vorrichtungen ermöglicht. The substrate consists of TiN and / or TiO may be applied as carrier layer to a variety of different materials as the surface layer, so that the invention allows a high flexibility in the choice of suitable carrier substrates and the manufacture of such devices.
  • Die hochleitende Schicht aus TiN und/oder TiO, auf der die III-N-Nanosäulen angeordnet sind, kann auch auf einem einkristallinen Trägersubstrat, wie beispielsweise Saphir (Al2O3), angeordnet sein. The highly conductive layer of TiN and / or TiO, on which the III-N nano-columns are arranged, can also be on a single crystal support substrate, such as sapphire (Al2O3) may be disposed. Wird TiO als Substrat verwendet, auf dem die III-N-Säulen hergestellt werden, ist die Verwendung von Saphir besonders vorteilhaft, da der Sauerstoff der Saphir-Schicht für die Oxidierung einer aufgetragenen Titanschicht zur Bildung von TiO verwendet werden kann. TiO is used as the substrate on which the III-N columns are made, the use of sapphire is particularly advantageous, since the oxygen of the sapphire layer for the oxidation of a deposited titanium layer for the formation of TiO can be used.
  • Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit nanoskaligen Halbleitersäulen bestehend aus Gruppe III-Nitridmaterial umfasst die Schritte: Bereitstellen eines Substrats, mit einer durchgehenden, lochfreien Oberflächenschicht, die TiN und/oder TiO enthält und Wachstum von III-N-Nanosäulen auf dem Substrat. A method of manufacturing a semiconductor device with nanoscale semiconductor columns consisting of Group III-nitride material comprising the steps of: providing a substrate with a continuous, pinhole-free surface layer, the TiN and / or TiO and growth of III-N-nanorods on the substrate.
  • Vorzugsweise kann das Substrat durch Auftragen einer Titanschicht auf einem Trägersubstrat und anschließende Nitridierung und/oder Oxidierung der Titanschicht bereitgestellt werden. Preferably, the substrate may be provided by depositing a titanium layer on a supporting substrate and subsequent nitriding and / or oxidation of the titanium layer.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Substrat auch durch direkte Abscheidung, beispielsweise durch Sputtern, von TiN und/oder TiO auf ein Trägersubstrat bereitgestellt werden, so dass eine zusätzliche Nitridierung bzw. Oxidierung entfällt. According to a further advantageous embodiment of the invention, the substrate may be provided on a support substrate by direct deposition, for example by sputtering of TiN and / or TiO, so that an additional nitriding or oxidation is not necessary.
  • Um ein möglichst paralleles Wachstum der III-N-Nanosäulen zu erreichen, kann die Titanschicht, das TiN oder das TiO vorzugsweise derart auf das Trägersubstrat aufgebracht werden, dass eine polykristalline Schicht mit Domänen gebildet wird, wobei die Domänen jeweils zumindest eine kristallographische Vorzugsorientierung aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zu einer planaren Ausdehnung der polykristallinen Schicht ist. To a parallel as possible growth of the III-N nano-pillars to reach the Ti layer, the TiN or TiO may preferably be so applied to the carrier substrate so that a polycrystalline film with domains is formed, wherein the domains each having at least a crystallographic preferred orientation, which is substantially perpendicular to a planar expansion of the polycrystalline layer.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Substrat auf ein amorphes Trägersubstrat aufgetragen. According to a preferred embodiment, the substrate is applied on an amorphous carrier substrate.
  • Das Wachstum der III-N-basierten Nanosäulen kann mittels einer Molekularstrahldepositionsmethode erzeugt werden und beispielsweise epitaktisch erfolgen. The growth of the III-N-based nanorods can be produced by a molecular beam deposition method and takes place, for example, epitaxially.
  • Zusammenfassend konnte durch die Erfinder anhand des Beispiels von TiN und TiO erstmalig das Wachstum von III-N-Nanosäulen direkt auf einem hochleitenden Substrat gezeigt werden. In summary, the growth of III-N-nanorods could be shown for the first time directly on a highly conductive substrate by the inventors based on the example of TiN and TiO.
  • Es wird betont, dass sich die vorliegende Erfindung auch dahingehend verallgemeinern lässt, dass III-N-basierte Nanosäulen auch auf anderen metallischen Schichten hergestellt werden können. It is emphasized that the present invention can be generalized in that III-N-based nanorods can also be produced in other metal layers.
  • Metallische Filme, abgeschieden auf amorphe Trägersubstrate, wie Glas, sind wesentlich kostengünstiger und flexibler für die Herstellung von Bauteilen auf Halbleiterbasis einsetzbar. Metallic films deposited on amorphous carrier substrates such as glass, are much cheaper and more flexible for the production of components based on semiconductors can be used. Derartige hochleitende Metallschichten sind polykristallin, weisen jedoch eine vorteilhafte Oberflächenqualität (Reinheit und Glattheit) auf. Such highly conductive metal layers are polycrystalline, but have a favorable surface quality (purity and smoothness) on.
  • Unter einer metallischen Schicht wird eine Schicht mit metallischen Eigenschaften, wie einer metallischen Leitfähigkeit verstanden. Under a metallic layer is a layer having metallic properties, such as understood a metallic conductivity. Unter einer metallischen Schicht wird insbesondere auch eine Schicht verstanden, die durch Auftragen eines Metalls auf ein Trägersubstrat und nachfolgende Nitridierung und/oder Oxidierung des Metalls entstanden ist. Under a metallic layer is in particular also meant a layer which is formed by depositing a metal on a carrier substrate and subsequent nitriding and / or oxidation of the metal.
  • Werden hochschmelzende Metallfolien als Trägersubstrat verwendet, ergibt sich als weiterer Vorteil, dass das Trägersubstrat biegsam ist. Be refractory metal sheets used as a supporting substrate, there is the further advantage that the carrier substrate is flexible.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Further details and advantages of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Es zeigen: Show it:
  • 1 1 : eine schematische Schnittansicht einer Halbleitervorrichtung mit GaN-Nanosäulen auf einer TiN-Schicht gemäß einem Ausführungsbeispiel; Is a schematic sectional view of a semiconductor device having GaN nano pillars on a TiN layer according to an embodiment;
  • 2 2 : eine schematische Schnittansicht einer weiteren Halbleitervorrichtung mit GaN-Nanosäulen auf einer TiO-Schicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; Is a schematic sectional view of another semiconductor device having GaN nano pillars on a TiO layer according to another embodiment;
  • 3 3 : ein schematisches Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; Is a schematic flow diagram for a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment; und and
  • 4A 4A und and 4B 4B : Photolumineszenz-Daten von GaN-Nanosäulen auf TiN und TiO im Vergleich zu GaN-Nanosäulen auf Silizium. : Photoluminescence data of GaN nano-columns on TiN and TiO compared to GaN nanocolumns on silicon.
  • 1 1 illustriert in schematischer Schnittansicht eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung illustrated in a schematic sectional view of a semiconductor device according to the invention 10 10 mit verschiedenen GaN-Nanosäulen with various GaN nanorods 1 1 , die auf einer polykristallinen TiN-Substratschicht That on a polycrystalline TiN substrate layer 2 2 angeordnet sind. are arranged. Die TiN-Schicht The TiN layer 2 2 ist ungefähr 1 μm dick und besteht aus polykristallinem TiN mit Domänen, die jeweils eine kristallographische Vorzugsorientierung (nicht dargestellt) der Kristallite aufweisen, entlang der sich das Wachstum der GaN-Nanosäulen is about 1 micron thick and is made of polycrystalline TiN with domains which each have a crystallographic preferred orientation (not shown) of the crystallites along which the growth of the GaN nanocolumns 1 1 fortsetzt. continues. Die Vorzugsorientierungen sind parallel oder quasi-parallel zu der in The preferred orientations are parallel or quasi-parallel to the in 1 1 eingezeichneten z-Achse. drawn z-axis. Die GaN-Nanosäulen The GaN nanorods 1 1 haben eine langgestreckte Säulenform und stehen im Wesentlichen senkrecht auf der TiN-Substratschicht have an elongated columnar shape and are substantially perpendicular on the TiN substrate layer 2 2 , so dass die Längsachse der Nanosäulen So that the longitudinal axis of the nanocolumns 1 1 entlang der z-Achse verläuft. runs along the z-axis. Die Längsachsen der GaN-Nanosäulen The longitudinal axes of GaN nanorods 1 1 müssen dabei nicht exakt parallel zueinander sein, sondern können leichte Abweichungen um die z-Achse aufweisen, was aus einer leichten Verkippung der Vorzugsorientierung der verschiedenen Domänen relativ zueinander resultiert. need not be exactly parallel to each other, but may differ slightly about the z-axis, resulting from a slight tilting of the preferential orientation of the various domains relative to each other.
  • Die TiN-Schicht The TiN layer 2 2 ist auf einem Trägersubstrat is on a carrier substrate 3 3 aufgetragen, das beispielsweise aus Quarzglas oder thermisch oxidiertem Silizium besteht. applied, which consists for example of quartz glass or thermally oxidized silicon.
  • 2 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Halbleitervorrichtung shows an alternative embodiment of a semiconductor device 20 20 , bei dem die GaN-Nanosäulen In which the GaN nanorods 1 1 epitaktisch auf TiO anstatt auf TiN gewachsen sind. are epitaxially grown on TiO instead of TiN. 2 2 zeigt zusätzlich, dass durch Aufbringen nur eines elektrischen Kontakts additionally shows that by applying only an electrical contact 5 5 auf einer Fläche der TiO-Schicht (bzw. auf einer Fläche der TiN-Schicht) mit einer Leitung on a surface of the TiO layer (or on a surface of the TiN layer) with a conduit 6 6 alle Nanosäulen all nanorods 1 1 der Halbleitervorrichtung the semiconductor device 20 20 aufgrund der hohen Leitfähigkeit des Substrats due to the high conductivity of the substrate 2 2 elektrisch kontaktiert werden können. can be electrically contacted.
  • 3 3 zeigt beispielhaft ein Verfahren zur Herstellung der in by way of example shows a method for manufacturing the in 1 1 und/oder and or 2 2 gezeigten Ausführungsbeispiele. Embodiments shown.
  • Im Schritt S10 wird eine durchgehende metallische Oberflächenschicht aus Titan mit einer Dicke von 1 μm durch Magnetron-Sputtering auf einer amorphen Unterlage aus beispielsweise thermisch oxidierten Silizium oder Quarzglas aufgetragen. In step S10, a continuous metallic surface layer of titanium having a thickness of 1 micron by magnetron sputtering on an amorphous substrate of, for example, thermally oxidized silicon or quartz glass is applied. Gesputtertes Ti kristallisiert als hcp αTi. Sputtered Ti crystallizes as hcp αTi. Hierbei wird die Titanschicht so aufgetragen, dass die einzelnen Domänen der Titanschicht eine Vorzugsorientierung aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Trägerschicht Here, the titanium layer is applied so that the individual domains of the titanium layer have a preferred orientation which is substantially perpendicular to the surface of the carrier layer 3 3 ist. is.
  • Beispielsweise kann eine derartige Ausrichtung der Domänen erreicht werden, wenn Titan auf eine Saphir-Oberfläche abgeschieden wird, da sich Titan dann so auf der Saphir-Oberfläche ausrichtet, dass die (0001)-Achse der hexagonale Titankristallite im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Trägersubstrats For example, such alignment of the domains can be achieved when titanium is deposited on a sapphire surface, as titanium then aligns on the sapphire surface such that the (0001) axis of the hexagonal Titankristallite substantially perpendicular to the surface of the support substrate 3 3 ist. is. Diese Ausrichtung bleibt bei einer nachfolgenden Nitridierung bzw. Oxidierung zur Bildung von TiN bzw. TiO erhalten. This orientation is retained in a subsequent nitriding or oxidation to form TiN or TiO. Die kristallographische Vorzugsorientierung besteht beispielsweise aus δ-TiN (111) oder TiO (111). The preferred crystallographic orientation consists for example of δ-TiN (111) or TiO (111).
  • Weitere Möglichkeiten zur Herstellung derartiger titanbasierter Schichten, so dass die einzelnen Domänen eine entsprechende Vorzugsrichtung aufweisen, sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und werden hier nicht beschrieben. Further possibilities for producing such titanium-based coatings, such that the individual domains having a respective preferential direction, are known per se from the prior art and are not described here.
  • Anschließend erfolgt im Schritt S20 eine Nitridierung und/oder Oxidierung der aufgetragenen Titanschicht. Subsequently, in step S20, a nitriding and / or oxidation of the deposited titanium layer. Eine Nitridierung erfolgt beispielsweise bei einer Temperatur von über 700°C unter einer Stickstoffatmosphäre. A nitriding takes place for example at a temperature of about 700 ° C under a nitrogen atmosphere. Eine Oxidierung kann durch Wahl eines geeigneten Trägersubstrats Oxidization can by selecting a suitable carrier substrate 3 3 , wie beispielsweise Saphir oder Quarzglas, erfolgen, das den Sauerstoff für die Oxidierung der Titanschicht bereitstellt. Such as sapphire or silica glass, be made which provides the oxygen for the oxidation of the titanium layer.
  • Anschließend erfolgt im Schritt S30 das epitaktische Wachstum von GaN-Nanosäulen auf der Oberfläche Subsequently, in step S30, the epitaxial growth of GaN nanorods on the surface 4 4 der nitridierten und/oder oxidierten Schicht. the nitrided and / or oxidized layer. Nach einer anfänglichen Inkubationszeit erfolgt dann bei einer Temperatur von beispielsweise 760°C unter einem N-Fluss θ N = 13 nm/min und einem Ga-Fluss von θ Ga = 2,4 nm/min das Wachstum der GaN-Nanosäulen After an initial incubation then is performed at a temperature of for example 760 ° C under a N flow θ N = 13 nm / min and a flow of Ga-Ga θ = 2.4 nm / min, the growth of GaN nanorods 1 1 über 90 Minuten. over 90 minutes.
  • Es wird betont, dass die angegebenen Wachstumsparameter nur beispielhaft sind und dass die GaN- oder allgemein III-N-Nanosäulen It is emphasized that the growth parameters given are exemplary and that the GaN or generally III-N nanorods 1 1 auch mit anderen Parameterwerten oder mit anderen gängigen Herstellungsverfahren zur Züchtung von III-N-Nanosäulen with other parameter values ​​or with other current manufacturing processes for the production of III-N-nanocolumns 1 1 auf der TiN- bzw. TiO-Schicht gezüchtet werden können. can be grown on the TiN or TiO-layer.
  • Die The 4A 4A und and 4B 4B zeigen Photolumineszenz(PL)-Daten von GaN-Nanosäulen exhibit photoluminescence (PL) data of GaN nanocolumns 1 1 , die auf TiN oder einem TiO-Film gezüchtet wurden im Vergleich zu Photolumineszenz-Daten von GaN-Nanosäulen That were grown on a TiN or TiO film compared to photoluminescence data of GaN nanocolumns 1 1 auf Silizium. on silicon. Bei Vorhandensein von Kristalldefekten würde das Photolumineszenzspektrum Abweichungen von den Exzitonenübergängen zeigen. In the presence of crystal defects the photoluminescence spectrum would show deviations from the Exzitonenübergängen. Die PL-Daten bei Raumtemperatur in The PL data at room temperature 4A 4A zeigen jedoch nur den freien Exzitonenübergang bei 3.4 eV. show only the free exciton transition at 3.4 eV. Defektleuchten, das bei GaN gewöhnlich bei 2.2 eV auftritt, fehlt in beiden Proben vollständig. Broken lights, which usually appears in GaN at 2.2 eV, is completely absent in both samples. Bei Temperaturen von 10 K gemäß At temperatures of 10 K according to 4B 4B werden beide Spektren von den an Donatoren gebundenen Exzitonen (D 0 X) dominiert und die Linienbreite ist nur 1 meV. both spectra from the bound excitons donors (D 0 X) are dominated and the line width is 1 meV. Diese Ergebnisse zeigen, dass GaN-Nanosäulen These results show that GaN nanorods 1 1 auf TiN bzw. TiO mit exzellenter Kristallqualität gezüchtet wurden. were grown on TiN or TiO with excellent crystal quality.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung und den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein. The features disclosed in the foregoing description and the drawings and the claims of the invention may, both separately and in combination for realizing the invention in its various embodiments.

Claims (17)

  1. Halbleitervorrichtung ( Semiconductor device ( 10 10 ; ; 20 20 ), mit einer Mehrzahl nanoskaliger Halbleitersäulen ( ), (With a plurality of nanoscale semiconductor columns 1 1 ) bestehend aus Gruppe III-Nitridmaterial; ) Consisting of Group III-nitride material; und einem Substrat ( (And a substrate 2 2 ), mit einer durchgehenden, lochfreien Oberflächenschicht, die Titannitrid(TiN) und/oder Titanmonoxid(TiO) enthält, auf der die Mehrzahl der Halbleitersäulen ( ), With a continuous, pinhole-free surface layer comprising titanium nitride (TiN) and / or titanium monoxide (TiO), on which the plurality of semiconductor columns ( 1 1 ) angeordnet ist. ) Is arranged.
  2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat ( The semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate ( 2 2 ) aus TiN und/oder TiO besteht. ) Of TiN and / or TiO exists.
  3. Halbleitervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Oberflächenschicht eingerichtet ist, einen elektrischen Kontakt ( The semiconductor device according to any preceding claim, wherein the surface layer is arranged an electrical contact ( 5 5 ) bereitzustellen. provide).
  4. Halbleitervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gruppe III-Nitridmaterial aus einer Mischung der Materialen Gallium (Ga), Aluminium (Al), Indium (In) und Stickstoff (N) besteht, welche sich beschreiben lässt durch die Formel Ga(X)Al(Y)In(Z)N, mit 0 ≤ X ≤ 1, 0 ≤ Y ≤ 1,0 ≤ Z ≤ 1, und X + Y + Z = 1. is the semiconductor device according to any one of the preceding claims wherein the Group III-nitride material from a mixture of the materials gallium (Ga), aluminum (Al), indium (In), and nitrogen (N), which can be described by the formula Ga (X) al (Y) In (Z) N, where 0 ≤ X ≤ 1, 0 ≤ Y ≤ 1.0 ≤ Z ≤ 1, and X + Y + Z =. 1
  5. Halbleitereinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gruppe III-Nitridmaterial aus Galliumnitrid (GaN) besteht. A semiconductor device according to any one of the preceding claims 1 to 3, wherein the Group III-nitride material is made of gallium nitride (GaN).
  6. Halbleitervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das TiN und/oder das TiO des Substrats eine polykristalline Schicht mit Domänen größer als eine Aufstandsfläche der Halbleitersäulen ( The semiconductor device according to any preceding claim, wherein the TiN and / or TiO the substrate, a polycrystalline film with domains larger than a footprint of the semiconductor columns ( 1 1 ) bildet, wobei die Domänen jeweils zumindest eine kristallographische Vorzugsorientierung aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zu einer planaren Ausdehnung der polykristallinen Schicht ist. ), Wherein the domains each having at least a preferred crystallographic orientation that is substantially perpendicular to a planar expansion of the polycrystalline layer.
  7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, weiter umfassend ein Trägersubstrat ( The semiconductor device according to claim 6, further comprising a carrier substrate ( 3 3 ), auf dem das Substrat ( ), On which the substrate ( 2 2 ) angeordnet ist. ) Is arranged.
  8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Trägersubstrat ( The semiconductor device according to claim 7, wherein the support substrate ( 3 3 ) aus einem amorphen Material gebildet ist. ) Is formed of an amorphous material.
  9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Trägersubstrat ( The semiconductor device according to claim 7, wherein the support substrate ( 3 3 ) aus einer Metallfolie gebildet ist, die vorzugsweise Tantal enthält. ) Is formed from a metal foil, preferably containing tantalum.
  10. Elektronisches oder opto-elektronisches Bauteil, umfassend eine Halbleitervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 9, umfassend eine Versorgungsleitung ( Electronic or opto-electronic component comprising a semiconductor device according to any one of the preceding claims 3 to 9, comprising (a supply line 6 6 ), die mit dem elektrischen Kontakt ( ), Which (with the electrical contact 5 5 ) gekoppelt ist. ) Is coupled.
  11. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit nanoskaligen Halbleitersäulen ( A process for producing a semiconductor device with nanoscale semiconductor columns ( 1 1 ) bestehend aus Gruppe III-Nitridmaterial, umfassend die Schritte: Bereitstellen eines Substrats ( ) Consisting of Group III-nitride material comprising the steps of: providing a substrate ( 2 2 ) mit einer durchgehenden, lochfreien Oberflächenschicht, die Titannitrid(TiN) und/oder Titanmonoxid(TiO) enthält; ) Having a continuous, pinhole-free surface layer, the titanium nitride (TiN) and / or titanium monoxide (TiO); und Wachstum von Halbleitersäulen bestehend aus Gruppe III-Nitridmaterial ( and growth of semiconductor columns consisting of Group III-nitride material ( 1 1 ) auf dem Substrat ( ) On the substrate ( 2 2 ). ).
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bereitstellen des Substrats ( The method of claim 11, wherein providing the substrate ( 2 2 ) umfasst: Auftragen einer durchgehenden, lochfreien Titanschicht auf einem Trägersubstrat ( ) Comprises: applying a continuous, pinhole-free layer of titanium on a carrier substrate ( 3 3 ) und Nitridierung und/oder Oxidierung der Titanschicht. ) And nitriding and / or oxidation of the titanium layer.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Substrat ( The method of claim 11, wherein the substrate ( 2 2 ) durch direkte Abscheidung von TiN und/oder TiO auf ein Trägersubstrat ( ) (By direct deposition of TiN and / or TiO to a carrier substrate 3 3 ) bereitgestellt wird. ) provided.
  14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 13, wobei das Wachstum der Halbleitersäulen mittels einer Molekularstrahldepositionsmethode erzeugt wird. Method according to one of the preceding claims 11 to 13, wherein the growth of the semiconductor columns is generated by a molecular beam deposition method.
  15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 14, wobei die Titanschicht, das TiN oder das TiO derart auf das Trägersubstrat ( Method according to one of the preceding claims 11 to 14, wherein the titanium layer, the TiN or TiO such (to the support substrate 3 3 ) aufgebracht werden, dass eine polykristalline Schicht mit Domänen größer als eine Aufstandsfläche der Halbleitersäulen ( be applied) that is a polycrystalline layer with domains larger than a footprint of the semiconductor columns ( 1 1 ) gebildet wird, wobei die Domänen jeweils zumindest eine kristallographische Vorzugsorientierung aufweisen, die im Wesentlichen senkrecht zu einer planaren Ausdehnung der polykristallinen Schicht ist. ) Is formed, wherein the domains each having at least a preferred crystallographic orientation that is substantially perpendicular to a planar expansion of the polycrystalline layer.
  16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 15, wobei das Substrat ( Method according to one of the preceding claims 11 to 15, wherein the substrate ( 2 2 ) auf ein amorphes Trägersubstrat ( ) (On an amorphous carrier substrate 3 3 ) aufgetragen wird. ) Is applied.
  17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 16, weiter umfassend den Schritt: Anbringen eines elektrischen Kontakts auf der Oberflächenschicht aus TiN und/oder TiO. Method according to one of the preceding claims 11 to 16, further comprising the step of: attaching an electrical contact on the surface layer of TiN and / or TiO.
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