DE102013225632A1 - Verfahren zur Herstellung einer Schicht - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht mittels MOVPE, wobei die Schicht zumindest einen III-V-Verbindungshalbleiter und Kohlenstoff enthält oder daraus besteht, wobei der Verbindungshalbleiter zumindest ein Element der III. Hauptgruppe enthält, welches ausgewählt ist aus Gallium, Aluminium, Indium und/oder Bor, und weiter zumindest ein Element der V. Hauptgruppe enthält, welches ausgewählt ist aus Stickstoff, Phosphor und/oder Arsen und zumindest Stickstoff enthält, wobei das Verfahren folgende Schritte enthält: Einbringen (51) eines Substrates in eine Vakuumkammer; Evakuieren (52) der Vakuumkammer auf einen vorgebbaren Hintergrunddruck; Heizen (53) des Substrates auf eine vorgebbare Temperatur; Einleiten (54) von zumindest einem Gas in die Vakuumkammer, welches Stickstoff enthält oder daraus besteht; Einleiten (54) von zumindest einer metallorganischen Verbindung in die Vakuumkammer; Einleiten (55) von zumindest einer Kohlenwasserstoffverbindung in die Vakuumkammer.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht mittels MOVPE, wobei die Schicht zumindest einen III-V-Verbindungshalbleiter enthält oder daraus besteht, wobei der Verbindungshalbleiter zumindest ein Element der dritten Hauptgruppe enthält, welches ausgewählt ist aus Gallium, Aluminium, Indium und/oder Bor, und weiter der Verbindungshalbleiter zumindest ein Element der fünften Hauptgruppe enthält, welches ausgewählt ist aus Stickstoff, Phosphor und/oder Arsen, wobei der Verbindungshalbleiter zumindest Stickstoff enthält. Schichten der eingangs genannten Art können beispielsweise zur Herstellung von optoelektronischen Halbleiterbauelementen oder Leistungshalbleitern verwendet werden.
  • Aus der Praxis ist bekannt, die genannten III-V-Verbindungshalbleiter auf einem Substrat abzuscheiden, welches beispielsweise Silizium oder Saphir enthält oder daraus besteht. Da diese Substrate eine andere Gitterkonstante aufweisen, ist aus der Praxis bekannt, Pufferschichten zwischen dem Halbleiterbauelement und dem Substrat anzuordnen, so dass die Schichten des Halbleiterbauelementes mit guter Kristallqualität erzeugt werden können.
  • Aus H. Tang, J.B. Webb, J.A. Bardwell und T. MacElwee: „Growth of high-performance GaN modulation-doped fieldeffect transistors by ammonia-molecular-beam epitaxy", J. Vac. Sci. Technol. A 18(2), Mar/Apr 2000 652 ist bekannt, eine Pufferschicht aus GaN mit Kohlenstoff zu dotieren. Durch die Dotierung mit Kohlenstoff steigt der elektrische Widerstand der Pufferschicht an, so dass Kurzschlüsse oder parasitäre Ströme zwischen unterschiedlichen Bauelementen auf der Pufferschicht vermieden werden können.
  • Diese bekannte Pufferschicht weist jedoch den Nachteil auf, dass das als Kohlenstoffquelle verwendete Methangas in einer Gasentladung dissoziiert werden muss. Eine solche Gasentladung kann jedoch nur im Ultrahochvakuum erzeugt werden, so dass die Anwendung auf MBE-Verfahren beschränkt ist. Weiterhin bleiben die erreichbaren Ladungsträgerbeweglichkeiten hinter den Erwartungen zurück, so dass davon auszugehen ist, dass die mit dem bekannten Verfahren erzeugten Pufferschichten keine hinreichend gute Qualität aufweisen.
  • Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht aus einem kohlenstoffdotierten III-V-Verbindungshalbleiter anzugeben, welches eine bessere Kristallqualität bereitzustellen vermag.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zumindest eine Schicht, welche einen III-V-Verbindungshalbleiter und Kohlenstoff enthält, mittels MOVPE herzustellen. Unter MOVPE wird für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung eine metallorganische Gasphasenepitaxie verstanden. Das Wachstum der abzuscheidenden Schicht findet aus der Gasphase in einem Grobvakuum statt. Da die verwendeten Elemente der dritten Hauptgruppe Metalle sind, können diese nicht bei niedrigen Temperaturen in elementarer Form in die Gasphase eingebracht werden. Daher werden für die Epitaxie metallorganische Verbindungen und/oder Hydride verwendet. Diese Verbindungen weisen einen hinreichend hohen Dampfdruck auf, so dass diese mit geringem Aufwand in die Gasphase überführt und durch Rohrleitungen transportiert werden können. Hierzu können die metallorganischen Verbindungen in geschlossenen Behältern bereitgestellt werden, welche mittels einer Heizvorrichtung und einer Regelvorrichtung auf einer konstanten Temperatur gehalten werden. Hierbei ergibt sich ein konstanter Dampfdruck über der festen oder flüssigen Phase. Dadurch kann der Massenfluss der jeweiligen Verbindung in die Vakuumkammer bzw. das Reaktionsgefäß in einfacher Weise konstant gehalten werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann ein optionales Trägergas verwendet werden, um die Diffusion der metallorganischen Verbindungen in die Vakuumkammer zu unterstützen.
  • Das zur Schichtabscheidung verwendete Substrat wird durch eine Widerstandsheizung und/oder Infrarotstrahlung und/oder ein Induktionsheizung auf eine erhöhte Temperatur gebracht. Dies führt dazu, dass die metallorganischen Verbindungen bzw. Hydride an der Substratoberfläche dissoziieren. Leicht flüchtige Komponenten, beispielsweise Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff gehen im Anschluss wieder in die Gasphase über, wohingegen die Metallkomponente auf dem Substrat abgeschieden wird.
  • Der erfindungsgemäß für das Material der zumindest einen Schicht verwendete III-V-Verbindungshalbleiter enthält in einigen Ausführungsformen der Erfindung zumindest ein Element der dritten Hauptgruppe, welches ausgewählt ist aus Gallium, Aluminium, Indium und/oder Bor. Weiterhin enthält der Verbindungshalbleiter zumindest Stickstoff. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Verbindungshalbleiter zusätzlich Phosphor und/oder Arsen enthalten. Der Verbindungshalbleiter enthält somit eine binäre, ternäre oder quarternäre Verbindung aus Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems. Beispielsweise kann der Verbindungshalbleiter ausgewählt sein aus GaN, AlGaN, AlInN, AlGaNP oder ähnlichen, hier nicht explizit genannten Verbindungen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das vorgeschlagene Verfahren dazu verwendet werden, eine Mehrzahl von Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung auf dem Substrat abzuscheiden. Hierzu kann das Substrat zunächst mit einer Pufferschicht versehen werden, welche die Gitterfehlanpassung nachfolgender Schichten verringern kann. Auf der Pufferschicht können Halbleiterstrukturen abgeschieden werden, beispielsweise um ein optoelektronisches Bauteil oder einen Transistor zu erzeugen. Die genannten Bauteile können Quantentopfstrukturen enthalten oder es können Grenzflächen an Halbleiterheterostrukturen ausgebildet werden, in welchen sich ein zweidimensionales Elektronengas ausbildet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Elektronenbeweglichkeit in einem solchen zweidimensionalen Elektronengas größer als 1100 cm2/Vs oder größer als 1300 cm2/Vs sein.
  • Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, den elektrischen Widerstand zumindest der Pufferschicht aus dem III-V-Verbindungshalbleiter durch Dotierung mit Kohlenstoff zu vergrößern. Hierzu wird vorgeschlagen, zumindest einen Kohlenwasserstoff in die Vakuumkammer einzuleiten. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Kohlenwasserstoff in gleicher Weise an der Substratoberfläche dissoziiert wird, wie vorstehend bereits für metallorganische Verbindungen beschrieben. Hierdurch kann der Kohlenstoff so in die entstehende Schicht eingebaut werden so dass dieser elektrisch aktiv ist. Überzähliger Wasserstoff oder nicht dissoziierte Kohlenwasserstoffe können wieder in die Gasphase abgegeben und durch die Vakuumpumpe aus dem Volumen der Vakuumkammer entfernt werden. Anders als bei bekannten Herstellungsverfahren muss zur Dissoziierung des Kohlenwasserstoffes keine Gasentladung eingesetzt werden.
  • Völlig überraschend hat sich gezeigt, dass das Einbringen von Kohlenwasserstoffen in die Vakuumkammer dazu geeignet ist, Schichten mit hoher Qualität und hoher Kohlenstoffdotierung bereitzustellen. Kohlenwasserstoffe als Ausgangsmaterial der Schichtabscheidung sind dabei nicht toxisch und weit verbreitet, so dass diese Stoffe in einfacher Weise beschafft werden können und leicht anwendbar sind. Die entstehende Schicht ist aufgrund ihrer hohen Schichtqualität dazu geeignet, Bauteile hoher Qualität mit geringen Kristalldefekten zu erzeugen. Aufgrund des großen Anteils an elektrisch aktivem Kohlenstoff in der Schicht können entsprechend hohe elektrische Widerstände erzielt werden, so dass das Auftreten von Kurzschlüssen oder anderen parasitären Stromflüssen zwischen unterschiedlichen Bauelementen auf demselben Substrat bzw. der selben Pufferschicht vermieden werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Kohlenwasserstoff ein Alkan enthalten oder daraus bestehen. Alkane weisen den Vorteil auf, keine Doppelbindung zu enthalten, so dass die Moleküle aufgrund der geringen Bindungsenergie leicht an der Oberfläche des Substrates dissoziiert werden können. Daher kann eine Dotierung mit Kohlenstoff bereits bei geringeren Substrattemperaturen erfolgen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Kohlenwasserstoff ein Alkan mit 1 bis 7 Kohlenstoffatomen enthalten oder daraus bestehen. Diese leichten Alkane können mit geringem Aufwand mit hoher Reinheit hergestellt werden, so dass die Verunreinigung der entstehenden Schicht durch unerwünschte Fremdatome vermieden werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Kohlenwasserstoff Methan enthalten. Methan weist den Vorteil auf, dass dieses mit hoher Reinheit hergestellt werden kann und bei Temperaturen unter 1000°C dissoziiert, so dass der Einbau in die Schicht auch bei niedrigen Wachstumstemperaturen bzw. geringen Substrattemperaturen erfolgen kann. Weiterhin dissoziiert Methan in ein Kohlenstoffatom und zwei Wasserstoffmoleküle, welche aufgrund ihrer geringen Masse eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit aufweisen und somit rasch aus der Vakuumkammer entfernt werden können.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Kohlenwasserstoff Pentan enthalten oder daraus bestehen. Pentan weist einen Siedepunkt von 36°C bei Normaldruck auf und kann daher in gleicher Weise wie die zum Schichtwachstum eingesetzten metallorganischen Verbindungen verarbeitet werden. Hierzu kann Pentan in einem geschlossenen Behälter bereitgestellt werden, welcher mittels einer Heizvorrichtung und einer Regelvorrichtung auf einer konstanten Temperatur gehalten wird, so dass sich ein konstanter Dampfdruck einstellt. Nachfolgend kann der Dampf über einen Massenflussregler in die Vakuumkammer eingeleitet werden. Damit ist der Einsatz in an sich bekannten MOVPE-Anlagen ohne weiteren Umbau möglich. Es muss lediglich ein Behälter mit Pentan befüllt werden, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen und die kohlenstoffdotierten III-V-Verbindungshalbleiter auf dem Substrat abzuscheiden.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird das Substrat auf eine Temperatur von etwa 900°C bis etwa 1200°C geheizt. In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird das Substrat auf eine Temperatur von etwa 1050°C bis etwa 1150°C geheizt. Bei dieser Temperatur zersetzt sich eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffen, insbesondere Alkanen bereits weitgehend oder vollständig. Somit kann eine hinreichende Menge von Kohlenstoff in einfacher Weise bereitgestellt werden, um die gewünschte Dotierung des III-V-Verbindungshalbleiters zu ermöglichen. Gleichzeitig können bei der genannten Temperatur eine Vielzahl von III-V-Verbindungshalbleitern erzeugt werden, beispielsweise GaN oder AlGaN.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Substrat auf eine Temperatur von etwa 1080°C bis 1120°C beheizt werden. In diesem Temperaturbereich kann die Kohlenstoffdotierung in weiten Grenzen beeinflusst werden, wobei gleichzeitig eine qualitativ hochwertige Schicht aus dem III-V-Verbindungshalbleiter auf dem Substrat abgeschieden werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Gas, welches Stickstoff enthält, ausgewählt sein aus N2 und/oder NH3. Insbesondere Ammoniak zeichnet sich als Hydrid durch geringe Bindungsenergien aus, so dass eine hinreichende Menge atomaren Stickstoffs auch bei niedrigen Substrattemperaturen bereitgestellt werden kann.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die metallorganische Verbindung Ga und/oder Al und/oder In enthalten. Hierdurch kann die metallische Komponente des III-V-Verbindungshalbleiters bei niedriger Temperatur bereitgestellt werden. Beispielsweise kann die metallorganische Verbindung in einigen Ausführungsformen der Erfindung Ga(CH3)3 enthalten oder daraus bestehen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Hintergrunddruck weniger als 1 Millibar oder weniger als 1·10–2 Millibar. Hierdurch wird das Auftreten von Verunreinigungen aus dem Restgas vermieden, so dass qualitativ hochwertige Halbleiterschichten erzeugt werden können.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Druck beim Einleiten der metallorganischen Verbindung und dem Gas, welches Stickstoff enthält und dem Kohlenwasserstoff auf einen Wert von etwa 25 Millibar bis etwa 220 Millibar oder etwa 30 Millibar bis etwa 100 Millibar ansteigen. In diesem Druckbereich ist einerseits die mittlere freie Weglänge groß genug, um eine ausreichend große Stoßrate mit dem Substrat sicherzustellen und ein rasches Schichtwachstum zu ermöglichen. Andererseits ist das Schichtwachstum langsam genug, um Schichten hoher Qualität, insbesondere einkristalline oder nahezu einkristalline Schichten durch epitaktisches Wachstum zu erzeugen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Kohlenwasserstoff in einer Menge von etwa 9 Millimol pro Minute (mmol/min) bis 47 Millimol pro Minute (mmol/min) zugeführt werden. In diesem Bereich kann die Dotierstoffkonzentration so eingestellt werden, dass wenig elektrisch inaktiver Kohlenstoff in der Schicht vorhanden ist, welcher die Schichtqualität negativ beeinflussen würde. Andererseits ist der Einbau von Kohlenstoff hinreichend groß, um die gewünschte niedrige Leitfähigkeit der Schichten zu ermöglichen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Schicht zwischen etwa 1·1018 cm–3 und etwa 2·1020 cm–3 betragen.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Schicht unter einer elektrischen Spannung von 1000 V einen Leckstrom von weniger als 1 µA aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Schicht unter einer elektrischen Spannung von 400 V einen Leckstrom von weniger als 1 nA aufweisen.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
  • 1 das Elementinventar unterschiedlicher erfindungsgemäßer Schichten.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 1 zeigt beispielhaft den Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Schichten. Hierzu wurden unterschiedliche Schichten mit einer Dicke von jeweils etwa 500 Nanometer unmittelbar übereinander auf einem einzigen Substrat erzeugt und nachfolgend das Tiefenprofil unterschiedlicher Elemente bestimmt.
  • Die Schichten wurden auf einem Substrat erzeugt, welches im Wesentlichen aus Saphir besteht. Daneben kann das Substrat Dotierstoffe und/oder unvermeidbare Verunreinigungen enthalten.
  • Das Substrat wurde auf einem beheizbaren Substrathalter in eine Vakuumkammer eingebracht, welche daraufhin bis zu einem Hintergrunddruck evakuiert wurde. Die erste Schicht wurde unmittelbar auf dem Substrat abgeschieden. Hierzu wurde Ammoniak mit einem Massenfluss von 16 Standardlitern pro Minute (slm) sowie Trimethylgallium in die Vakuumkammer eingeleitet. 1 slm entspricht dabei 16,8875 mbar·l·s–1. Der sich ergebende Totaldruck betrug dabei 200 Millibar. Durch Heizen des Substrats auf 1120°C wird die Gasphase in der Vakuumkammer soweit angeregt, dass das Trimethylgallium und der Ammoniak dissoziieren und sich auf dem Substrat niederschlagen.
  • Im nächsten Verfahrensschritt wurde der Ammoniakfluss auf 11 slm reduziert, so dass sich ein Totaldruck von 36 mbar einstellt. Auch bei diesen Bedingungen wurde eine Schicht von etwa 500 Nanometer Dicke auf der zuerst erzeugten Schicht abgeschieden. Zur Abscheidung der dritten Schicht wurde ein Fluss von 9 mmol/min Pentan zusätzlich in die Vakuumkammer eingeleitet. Die vierte Schicht wurde unmittelbar auf der dritten Schicht abgeschieden. Hierzu wurde die Temperatur um 20°C auf nunmehr 1100°C gesenkt. Die fünfte Schicht wurde unmittelbar auf der vierten Schicht abgeschieden. Zur Abscheidung der vierten Schicht wurde der Ammoniakfluss auf 8 slm gesenkt, wohingegen Pentan und Trimethylgallium unverändert zugeführt wurden. Die sechste Schicht wurde unmittelbar auf der fünften Schicht abgeschieden. Zur Abscheidung der sechsten Schicht wurde der Ammoniakfluss weiter gesenkt, auf nunmehr 5 slm. Zur Abscheidung der siebten Schicht wurde der Ammoniakfluss wieder auf 11 slm erhöht und die Temperatur um 20°C auf nunmehr 1080°C gesenkt. Um die sieben Einzelschichten im Tiefenprofil unterscheiden zu können, wurden jeweils die Schichtgrenzen mit einer Siliziumdotierung versehen.
  • 1 zeigt auf der Abszisse die Tiefe in Nanometer und auf der Ordinate die Konzentration in Atomen pro cm3. Dabei stellt Kurve A die Galliumkonzentration dar, Kurve C die Kohlenstoffkonzentration und Kurve B die Siliziumkonzentration. Das Elementinventar gemäß 1 wurde mit Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) bestimmt. Hierbei wird die Materialprobe mit Primärionen mit einer Energie von 0,2 bis 25 keV beschossen. Die dabei entstehenden positiv oder negativ geladenen Ionen werden mittels Massenfiltern nachgewiesen. Die Signalintensität als Maß für die Teilchenmenge dient der Auswertung der Zusammensetzung.
  • Die zuletzt abgeschiedene siebte Schicht befindet sich in der geringsten Tiefe und erstreckt sich von der Oberfläche bis etwa 500 Nanometer. Daran schließt sich die sechste Schicht als vorletzte Schicht an, bis zur ersten Schicht, welche unmittelbar auf der Substratoberfläche in der größtmöglichen Tiefe angeordnet ist.
  • Kurve B zeigt die Konzentration von Siliziumatomen. Da jeweils an den Schichtgrenzen eine Dotierung erfolgte, zeichnen sich die sieben Einzelschichten in Kurve B deutlich ab. Zum besseren Verständnis sind die einzelnen Schichten mit den Bezugszeichen 1 bis 7 versehen.
  • Kurve C zeigt den Kohlenstoffgehalt. Die erste Schicht wurde bei einem Totaldruck von 200 Millibar ohne Zufuhr von Kohlenwasserstoffen abgeschieden. Da auch Trimethylgallium Kohlenstoff enthält und diese Verbindung an der Substratoberfläche dissoziiert wird, enthält auch die nominal undotierte Schicht etwa 1·1018 Kohlenstoffatome pro cm3. Wie die zweite Schicht zeigt, steigt der Kohlenstoffgehalt geringfügig um etwa einen Faktor 2, wenn die Zufuhr von Ammoniak gedrosselt wird und der Totaldruck auf 36 Millibar sinkt.
  • Der Einfluss des Pentans zeigt sich in der dritten Schicht. Diese enthält etwa einen Faktor 10 mehr Kohlenstoff als die nominal undotierte zweite Schicht.
  • Wie die vierte Schicht zeigt, kann der Einbau von Kohlenstoff durch Reduktion der Substrattemperatur während des Schichtwachstums gesteigert werden. Insoweit zeigt 1, dass die Substrattemperatur als zusätzlicher Parameter für die Steuerung des Kohlenstoffgehalts neben der Zufuhr von Pentan bzw. anderen Kohlenwasserstoffen genutzt werden kann.
  • Die Schichten 5 und 6 zeigen, dass der Kohlenstoffgehalt weiter ansteigt, wenn die Zufuhr von Ammoniak gedrosselt wird, auch wenn die Substrattemperatur und die Zufuhr von Trimethylgallium und Pentan unverändert bleibt.
  • Der Vergleich zwischen der siebten, dritten und der vierten Schicht zeigt den Einfluss der Substrattemperatur bei gleicher Zusammensetzung der Gasatmosphäre. Demnach steigt die Dotierung mit sinkender Temperatur an.
  • Insgesamt zeigt Schicht 4, dass der Gehalt an Kohlenstoff um mehr als zwei Größenordnungen von etwa 1·1018 bis 1·1020 Atome pro cm3 einstellbar ist.
  • Kurve A der 1 zeigt den Galliumgehalt. Der in 1 erkennbare Anstieg beruht auf einer statischen Aufladung der Materialprobe. Diese statische Aufladung ist durch das gute Isolationsvermögen der erfindungsgemäß erzeugten Schichten bedingt. Somit zeigt Kurve A auch, dass der Kohlenstoff in nennenswertem Umfang auf elektrisch aktiven Gitterplätzen bzw. Zwischengitterplätzen im Kristallgitter eingebaut wird. Bei den erfindungsgemäß hergestellten Schichten wurden bei 1000 Volt Leckströme unter 1 µA und bei 400 Volt weniger als 1 nA gemessen.
  • 2 zeigt nochmals ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im ersten Verfahrensschritt 51 wird ein Substrat in eine Vakuumkammer eingebracht. Das Substrat kann beispielsweise Saphir oder Silizium enthalten oder daraus bestehen. Daneben kann das Substrat Dotierstoffe enthalten, um eine vorgebbare elektrische Leitfähigkeit einzustellen.
  • Im zweiten Verfahrensschritt 52 wird die Vakuumkammer auf einen vorgebbaren Hintergrunddruck evakuiert. Der Hintergrunddruck kann beispielsweise weniger als 1 mbar betragen. Hierdurch kann die Verunreinigung der nachfolgend abgeschiedenen Schicht aus dem Restgas reduziert sein. Nach dem Evakuieren der Vakuumkammer kann ein optionaler Reinigungsschritt des Substrates erfolgen.
  • Im dritten Verfahrensschritt 53 wird das Substrat auf eine vorgebbare Temperatur geheizt, beispielsweise durch eine Induktionsheizung. Die Temperatur kann zwischen etwa 900°C und etwa 1200°C gewählt sein. Die Temperatur kann während des Wachstums verändert werden, um die Zusammensetzung der jeweils entstehenden Schicht zu beeinflussen.
  • Im vierten Verfahrensschritt 54 werden die Konstituenten der abzuscheidenden Schicht in die Vakuumkammer eingeleitet. Beispielsweise kann zumindest eine metallorganische Verbindung und zumindest ein stickstoffhaltiges Gas in die Vakuumkammer eingebracht werden. Optional kann zusätzlich ein Trägergas verwendet werden, beispielsweise H2. Der sich einstellende Totaldruck in der Kammer ergibt sich aus den Massenflüssen und dem Saugvermögen der eingesetzten Vakuumpumpen. Die relative Zusammensetzung der Schicht kann durch die jeweiligen Massenflüsse der eingeleiteten Verbindungen der dritten und fünften Hauptgruppe und der Substrattemperatur eingestellt werden. Die zumindest eine metallorganische Verbindung und das zumindest eine stickstoffhaltige Gas kann gleichzeitig oder in unterschiedlicher Reihenfolge eingeleitet werden.
  • Schließlich erfolgt im fünften Verfahrensschritt 55 die Kohlenstoffdotierung durch Einleiten von zumindest einer Kohlenwasserstoffverbindung. Bevorzugt, aber nicht zwingend wird ein Alkan mit ein bis sieben Kohlenstoffatomen verwendet, beispielsweise Methan und/oder Pentan.
  • Durch Heizen des Substrates auf eine vorgebbare Temperatur werden die in den vorhergehenden Verfahrensschritten eingeleiteten Verbindungen dissoziiert, so dass sich eine kohlenstoffdotierte Schicht aus einem III-V-Verbindungshalbleiter auf dem Substrat niederschlägt. Bei Einhalten der Temperatur und der Massenflüsse kann diese Schicht einkristallin oder nahezu einkristallin mit sehr geringer Defektdichte auf dem Substrat abgeschieden werden.
  • Durch nachfolgendes Verändern der Massenflüsse von metallorganischen Verbindungen, Kohlenwasserstoffverbindungen und stickstoffhaltigen Gasen können unterschiedliche Schichten übereinander abgeschieden werden, welche sich beispielsweise in der Zusammensetzung und/oder Dotierung unterscheiden, so dass auch Halbleiterheterostrukturen auf der erfindungsgemäß erzeugten isolierenden Schicht abgeschieden werden können. In einigen Verfahrensschritten können auch zusätzliche Verbindungen eingebracht werden oder auf die Zufuhr von Kohlenwasserstoffverbindungen verzichtet werden.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Insbesondere kann die Reihenfolge der in 2 dargestellten Verfahrensschritte auch verändert werden. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • H. Tang, J.B. Webb, J.A. Bardwell und T. MacElwee: „Growth of high-performance GaN modulation-doped fieldeffect transistors by ammonia-molecular-beam epitaxy”, J. Vac. Sci. Technol. A 18(2), Mar/Apr 2000 652 [0003]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Schicht mittels MOVPE, wobei die Schicht zumindest einen III-V-Verbindungshalbleiter und Kohlenstoff enthält oder daraus besteht, wobei der Verbindungshalbleiter zumindest ein Element der III. Hauptgruppe enthält, welches ausgewählt ist aus Gallium, Aluminium, Indium und/oder Bor, und weiter zumindest ein Element der V. Hauptgruppe enthält, welches ausgewählt ist aus Stickstoff, Phosphor und/oder Arsen und zumindest Stickstoff enthält, wobei das Verfahren folgende Schritte enthält: Einbringen (51) eines Substrates in eine Vakuumkammer; Evakuieren (52) der Vakuumkammer auf einen vorgebbaren Hintergrunddruck; Heizen (53) des Substrates auf eine vorgebbare Temperatur Einleiten (54) von zumindest einem Gas in die Vakuumkammer, welches Stickstoff enthält oder daraus besteht; Einleiten (54) von zumindest einer metallorganischen Verbindung in die Vakuumkammer; Einleiten (55) von zumindest einer Kohlenwasserstoffverbindung in die Vakuumkammer.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff ein Alkan enthält oder daraus besteht oder dass der Kohlenwasserstoff ein Alkan mit 1 bis 7 Kohlenstoffatomen enthält oder daraus besteht oder dass der Kohlenwasserstoff Methan und/oder Pentan enthält oder daraus besteht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat auf eine Temperatur von etwa 1050°C bis etwa 1180°C geheizt wird oder dass das Substrat auf eine Temperatur von etwa 900°C bis etwa 1200°C geheizt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas, welches Stickstoff enthält, ausgewählt ist aus N2 und/oder NH3.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die metallorganische Verbindung Ga und/oder Al und/oder In enthält.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der der Kohlenwasserstoff in einer Menge von etwa 9 mMol/min bis etwa 47 mMol/min zugeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hintergrunddruck weniger als 1 mbar beträgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck beim Einleiten der metallorganischen Verbindung und dem Gas, welches Stickstoff enthält und dem Kohlenwasserstoff auf einen Wert von etwa 25 mbar bis etwa 220 mbar oder etwa 30 mbar bis etwa 100 mbar ansteigt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Kohlenstoffatome in der Schicht zwischen etwa 1·1018 cm–3 und etwa 2·1020 cm–3 beträgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht unter einer elektrischen Spannung von 1000 V einen Leckstrom von weniger als 1 µA aufweist und/oder dass die Schicht unter einer elektrischen Spannung von 400 V einen Leckstrom von weniger als 1 nA aufweist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht GaN und/oder AlGaN und/oder AlInN enthält oder daraus besteht.
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