DE102014015782A1

DE102014015782A1 - Rissfreie Galliumnitridmaterialien

Info

Publication number: DE102014015782A1
Application number: DE201410015782
Authority: DE
Inventors: Wang Nang Wang
Original assignee: Nanogan Ltd
Current assignee: QUANTUM NIL LTD. TAIWAN BRANCH, TW; QUANTUM NIL LTD., ROAD TOWN, VG
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2034-10-18
Also published as: TW201523704A; DE102014015782B4; US20150111370A1; GB2519338A; GB201318420D0; TWI684203B

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Galliumnitridmaterial, das die folgenden Schritte beinhaltet:
a) Bereitstellen eines Substrats und Bilden einer Metallschicht über dem Substrat;
b) Bilden einer Übergangsschicht über der Metallschicht, wobei die Übergangsschicht einen solchen Gradienten aufweist, dass die Zusammensetzung der Übergangsschicht in einer Tiefe (z) davon eine Al-Konzentrationsfunktion f(z) von dieser Tiefe ist; und
c) Bilden einer Schicht aus Galliumnitridmaterial über der Übergangsschicht;
wobei die Al-Konzentrationsfunktion f(z) der in Schritt b) gezüchteten Übergangsschicht ein Profil besitzt, das zwei Plateaus auf jeweiligen Tiefen z1 und z2 einschließt, wobei df(z1)/dz = df(z2)/dz = 0 gilt und wobei die Funktion zwischen z1 und z2, mit z2 > z1, kontinuierlich abfällt.

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Galliumnitridmaterialien, derartig hergestelltes Galliumnitrid und Halbleitervorlagen zur Herstellung von Galliumnitridmaterialien.
Allgemeiner Stand der Technik
Galliumnitridmaterialien sind Halbleiterverbindungsmaterialien, die typischerweise auf einem Substrat, zum Beispiel Silicium (Si), Saphir oder Siliciumcarbid, gezüchtet sind. Gängige Beispiele für Galliumnitridmaterialien schließen Galliumnitrid (GaN) und die Legierungen Indiumgalliumnitrid (InGaN), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) und Aluminiumindiumgalliumnitrid (AlInGaN) ein.
Bei typischen Züchtungsprozessen werden Schichten aus GaN sukzessive auf dem Substrat aufgebracht. Das Problem ist jedoch, dass in vielen Fällen das GaN einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Substrat hat. Dies kann zum Reißen des GaN während des Abkühlens führen, speziell wenn die Nitridschicht relativ dick ist. Ein weiteres Problem tritt auf, da die Gitterkonstanten von GaN und des Substrats gewöhnlich unterschiedlich, d. h. nicht übereinstimmend, sind, was zur Defektbildung in den aufgebrachten GaN-Schichten führen kann.
Es wurde vorgeschlagen, diese Probleme durch mindestens eine Zwischenschicht zwischen dem Substrat und dem anschließend aufgebrachten GaN zu lösen, das heißt durch Bilden einer Halbleitervorlage, die ein Substrat und eine zusätzliche über dem Substrat gebildete Schicht, über der das GaN gebildet werden kann, beinhaltet.
In dem besonderen Fall von Siliciumsubstraten, die besonders große Unterschiede sowohl bei dem Wärmeausdehnungskoeffizient als auch bei der Gitterkonstante gegenüber GaN aufweisen, wurde vorgeschlagen, Gradienten-Übergangsschichten zwischen dem Silicium und dem GaN zu verwenden, wie in 1 schematisch gezeigt ist. Zum Beispiel wurde vorgeschlagen, eine AlInGaN-Legierung als Übergangsschicht 1 zu verwenden, die einen Konzentrations-Gradienten besitzt, so dass die Gallium-Konzentration an der Oberseite der Schicht, das heißt in nächster Nähe zum anschließend aufgebrachten GaN 2, am höchsten ist, und an der Unterseite der Schicht, die in nächster Nähe zum Siliciumsubstrat 3 liegt, am niedrigsten ist. Es hat sich erwiesen, dass solche Techniken innere Spannungen innerhalb der Struktur reduzieren, da die Gitterkonstante und der Wärmeausdehnungskoeffizient der einen Gradienten aufweisenden Übergangsschicht an der oberen Oberfläche in etwa denen von GaN entsprechen und an der unteren Oberfläche relativ gut denen von Silicium entsprechen. Es sei darauf hingewiesen, dass verschiedene Materialien für die Übergangsschicht oder -schichten verwendet werden können, solange das Gitter und der Wärmeausdehnungskoeffizient hinreichend übereinstimmen. In alternativen Strukturen können solche einen Gradienten aufweisenden Zwischenschichten mit einer oder mehreren gradientenlosen Pufferschichten zwischen dem Substrat und GaN eingeschlossen sein, und ein Beispiel ist in 2 schematisch gezeigt, welche eine einzelne gradientenlose Pufferschicht 4 zwischen Substrat 3 und gradierter Übergangsschicht 1 zeigt.
Es gibt im Wesentlichen zwei Typen von Gradienten, die innerhalb der Übergangsschicht eingesetzt werden: ein „kontinuierlicher” Gradient, bei dem die Konzentration an (beispielsweise) Gallium gleichmäßig von der Unterseite zur Oberseite der Schicht ansteigt, und „diskontinuierliche” Gradienten, bei denen die Konzentration schrittweise von der Unterseite zur Oberseite der Schicht ansteigt. 3 zeigt schematisch verschiedene vorgeschlagene Gradientenschemas, wobei die x-Achse die Dicke der Übergangsschicht ist und die y-Achse die Konzentration an Gallium zeigt, und die 3a, 3b bzw. 3c drei mögliche kontinuierliche Gradierungsschemas zeigen, während 3d und 3e zwei diskontinuierliche Schemas zeigen.
Sowohl die kontinuierlichen als auch die diskontinuierlichen Techniken besitzen jedoch Nachteile. Bei diskontinuierlichen Schemas gibt es am Ort der Diskontinuität ein geringes Maß an Gitter-Übereinstimmung, was zu Defekten führt, die sich von der Schnittstelle aus in die aufgewachsene AlGaN-Schicht erstrecken. Bei kontinuierlichen Schemas ist der Effekt der mechanischen Verspannung – insbesondere bezüglich dem Einbringen von Druckspannungen – viel schwieriger zu erreichen. Das Gradientenprofil der Schicht mit kontinuierlichem Gradienten ist aufgrund der Bindungsenergie und Gasphasenreaktion von Al und Ga mit NH₃ sehr schwer zu kontrollieren. Die Ga-Konzentration steigt im anfänglichen Stadium der linearen GaN-Konzentrationssteigerung exponentiell an, danach verläuft das Ga-Profil nahezu flach. Dieses Phänomen ist besonders ausgeprägt, wenn der Konzentrationsunterschied an Ga zwischen Beginn und Ende 30% überschreitet.
Es wurde ebenfalls vorgeschlagen, Übergitterstrukturen zu verwenden, um innere Spannungen zu reduzieren. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist ein Übergitter eine periodische Struktur von Schichten aus mindestens zwei Materialien, wobei typischerweise jede Schicht eine Dicke im Nanometerbereich hat. 4 zeigt schematisch eine bekannte Struktur, bei der ein Übergitter mit verspannter Schicht 5 als intermediäre, zwischen dem Substrat 3 und GaN 2 angeordnete Übergangsschicht mit Konzentrationsgradient eingesetzt wird. Das Übergitter 5 beinhaltet eine Vielzahl von Schichten 6 aus Halbleiterverbindungen. Alternierende Schichten sind aus unterschiedlich zusammengesetzten Verbindungen gebildet, wie etwa Al_xIn_yGa_(1-x-y)N bzw. Al_aIn_bGa_(1-a-b)N, wobei x < a und y < b ist. Jede Schicht 6 kann selbst einen Konzentrationsgradient haben, alternativ kann jede Schicht 6 gradientenfrei sein, wobei dann angrenzende Schichten sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden (z. B. in ihren Konzentrationen an Al in jeder Schicht 6), um eine Verbundstruktur mit Gradient zu bilden.
Ein Problem bei dieser Übergittertechnik ist, dass die anfängliche Verspannung erhalten bleibt und die Möglichkeit, gezielt Druckspannungen einzubringen, begrenzt.
Als Stand der Technik kann die US 6659287 nebst ihrer Fortsetzungsanmeldung US 6617060 erwähnt werden, die verschiedene kontinuierliche und diskontinuierliche GaN-Schichtungsschemas offenbart, einschließlich der Verwendung von diskontinuierlichen Übergittern. Ihr Anspruch 1 bezieht sich zum Beispiel auf ein Halbleitermaterial, das Folgendes beinhaltet: ein Siliciumsubstrat; eine Zwischenschicht, die Aluminiumnitrid, eine Aluminiumnitridlegierung oder eine Galliumnitridlegierung, die direkt auf dem Substrat gebildet ist, eine Übergangsschicht mit Konzentrationsgradient, die über der Zwischenschicht gebildet ist, und eine Galliumnitridmaterialschicht, die über der Übergangsschicht gebildet ist, wobei das Halbleitermaterial einen FET bildet. Der Anspruch 2 bezieht sich auf das Halbleitermaterial gemäß Anspruch 1, wobei die Zusammensetzung der Übergangsschicht einen über die Dicke der Schicht sich diskontinuierlich ändernden Gradienten hat.
Als anderer Stand der Technik kann die US 20020020341 erwähnt werden, die die Verwendung von GaN-Schichtung mit kontinuierlichem Gradienten offenbart. Deren Anspruch 1 bezieht sich zum Beispiel auf einen Halbleiterfilm, der Folgendes beinhaltet: ein Substrat; eine Galliumnitridschicht mit Gradient, der auf dem Substrat aufgebracht ist und eine sich ändernde Zusammensetzung hat, die sich im Wesentlichen kontinuierlich von einer anfänglichen Zusammensetzung zu einer endgültigen Zusammensetzung ändert und die in einer Prozesskammer auf einem Precursor in einem unterbrechungsfreien Prozess hergestellt wurde.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben genannten Probleme zu überwinden und verbesserte Verfahren zum Herstellen von Galliumnitridmaterialien bereitzustellen. Dieses Ziel wird durch Verwendung von Übergangsschichten in verschiedenen kontrollierten Schemas erreicht.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Galliumnitridmaterial bereitgestellt, das die folgenden Schritte beinhaltet:

a) Bereitstellen eines Substrats und Bilden einer Metallschicht über dem Substrat;
b) Bilden einer Übergangsschicht über der Metallschicht, wobei die Übergangsschicht einen solchen Gradienten aufweist, dass die Zusammensetzung der Übergangsschicht in einer Tiefe (z) durch eine Al-Konzentrationsfunktion f(z) dieser Tiefe angegeben ist; und
c) Bilden einer Schicht aus Galliumnitridmaterial über der Übergangsschicht; wobei die Al-Konzentrationsfunktion f(z) der in Schritt b) gezüchteten Übergangsschicht ein Profil besitzt, das zwei Plateaus auf zugehörigen Tiefen z1 und z2 hat, wobei df(z1)/dz = df(z2)/dz = 0 gilt und wobei die Funktion zwischen z1 und z2, wobei z2 > z1 gilt, kontinuierlich abfällt.

Die Al-Konzentrationsdifferenz zwischen den zwei Plateaus kann weniger als oder gleich 30% der Al-Konzentration in der Tiefe z1 betragen.
Der Al-Konzentrationsunterschied zwischen den zwei Plateaus kann weniger als oder gleich 30% der Al-Konzentration in der Tiefe z2 sein.
Die Konzentrationsfunktion f(z) kann zumindest ein zusätzliches Plateau bei einer entsprechenden Tiefe zn aufweisen, wobei df(zn)/dz = 0 gilt.
Zwischen den Tiefen z1 und z2 kann die Al-Konzentrationsfunktion f(z) linear abfallen.
Zwischen den Tiefen z1 und z2 kann die Al-Konzentrationsfunktion f(z) nichtlinear abfallen.
Das Verfahren kann ferner den Schritt des Bildens einer Pufferschicht zwischen dem Substrat und der Übergangsschicht beinhalten.
Das Verfahren kann ferner den Schritt des Bildens einer Pufferschicht zwischen der Übergangsschicht und der Galliumnitridmaterialschicht beinhalten.
Die Übergangsschicht kann ein Übergitter aufweisen.
Durch den schrittweisen, halb-kontinuierlichen Übergang und dadurch, dass der Konzentrationsunterschied zwischen zwei benachbarten Plateaus höchstens 30% beträgt, existiert kein abrupter Übergang, der Defekte hervorrufen könnte, die durch die fehlende Übereinstimmung der Gitter hervorgerufen werden, und das Gradientenprofil ist in der kontinuierlich abfallenden Region deutlich leichter zu kontrollieren, was die Verspannung einfacher einstellbar macht.
Die Metallschicht kann Al beinhalten.
Die Dicke der Metallschicht kann im Bereich von 1–2 Monolagen liegen.
Das Verfahren kann ferner den zwischen den Schritten a) und b) stattfindenden Schritt des Bildens einer AlN-Schicht über dem Substrat umfassen.
Die AlN-Schicht kann über der Metallschicht gebildet werden.
Das Substrat kann Silicium beinhalten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Galliumnitridmaterial bereitgestellt, das die folgenden Schritte beinhaltet:

a) Bereitstellen eines Substrats und Bilden einer Metallschicht über dem Substrat;
b) Bilden einer Übergitter-Übergangsschicht über dem Substrat, wobei die Übergitter-Übergangsschicht aus mindestens einem Paar an Schichten aus AlxInyGa(1-x-y)N (0 < x <= 1) besteht, wobei jedes Schichtenpaar eine erste Schicht und eine zweite Schicht beinhaltet, wobei die zweite Schicht eine größere Dicke und niedrigere Al-Konzentration als die erste Schicht besitzt; und
c) Bilden einer Schicht aus Galliumnitridmaterial über der Übergitter-Übergangsschicht.

Das Verfahren kann ferner den zwischen den Schritten a) und b) stattfindenden Schritt des Bildens einer Al_xGa_(1-x)N-Schicht mit 0,1 < x < 0,9 über dem Substrat beinhalten, wobei in Schritt b) die Übergitter-Übergangsschicht über der Al_xGa_(1-x)N-Schicht gebildet wird.
Schritt b) kann mindestens einmal wiederholt werden.
Die Schritte b) und c) können mindestens einmal wiederholt werden.
Das Verfahren kann ferner den Schritt des Bildens einer Pufferschicht zwischen dem Substrat und der Übergitter-Übergangsschicht beinhalten.
Das Verfahren kann ferner den Schritt des Bildens einer Pufferschicht zwischen der Übergitter-Übergangsschicht und der Galliumnitridmaterialschicht beinhalten.
Die Metallschicht kann Al beinhalten.
Die Dicke der Metallschicht kann im Bereich von 1–2 Monolagen liegen.
Das Verfahren kann ferner den zwischen den Schritten a) und b) stattfindenden Schritt des Bildens einer AlN-Schicht über dem Substrat umfassen.
Die AlN-Schicht kann über der Metallschicht gebildet werden.
Das Substrat kann Silicium beinhalten.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Galliumnitridmaterial bereitgestellt, das die folgenden Schritte beinhaltet:

a) Bereitstellen eines Substrats und Bilden einer Metallschicht über dem Substrat;
b) Bilden einer Übergitter-Übergangsschicht über dem Substrat, wobei die Übergitter-Übergangsschicht aus mindestens zwei Paaren an Schichten aus AlxInyGa_(1-x-y)N (0 < x <= 1) besteht, wobei jedes Schichtenpaar eine erste Schicht und eine zweite Schicht beinhaltet, wobei die zweite Schicht eine größere Dicke und niedrigere Al-Konzentration als die erste Schicht besitzt, und
c) Bilden einer Schicht aus Galliumnitridmaterial über der Übergitter-Übergangsschicht; wobei in Schritt b) die Al-Konzentration jeder Schicht innerhalb von jedem Paar konstant ist und die Dicke der Schicht mit der niedrigeren Al-Konzentration innerhalb von jedem Paar in sukzessive gebildeten Paaren progressiv ansteigt, so dass der durchschnittliche Al-Anteil von jedem Paar in der Übergitter-Übergangsschicht kontinuierlich abfällt, sodass ein Konzentrationsgradient über die ganze Übergitter-Übergangsschicht entsteht.

Schritt b) kann mindestens einmal wiederholt werden.
Schritte b) und c) können mindestens einmal wiederholt werden.
Das Verfahren kann ferner den zwischen den Schritte a) und b) stattfindenden Schritt des Bildens einer Al_xGa_(1-x)N-Schicht mit 0,1 < x < 0,9 über dem Substrat beinhalten, und wobei in Schritt b) die Übergitter-Übergangsschicht über der Al_xGa_(1-x)N-Schicht gebildet wird.
Die Metallschicht kann Al beinhalten.
Die Dicke der Metallschicht kann im Bereich von 1–2 Monoschichten liegen.
Das Verfahren kann ferner den zwischen den Schritten a) und b) stattfindenden Schritt des Bildens einer AlN-Schicht über dem Substrat umfassen.
Die AlN-Schicht kann über der Metallschicht gebildet werden.
Das Substrat kann Silicium beinhalten.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Galliumnitridmaterial bereitgestellt, das die folgenden Schritte beinhaltet:

a) Bereitstellen eines Substrats und Bilden einer Metallschicht über dem Substrat;
b) Bilden einer ersten Übergangsschicht über dem Substrat;
c) Bilden einer Schicht aus GaN über der ersten Übergangsschicht;
d) Bilden von mindestens einer sich anschließenden Übergangsschicht über der ersten Übergangsschicht, wobei jede sich anschließende Übergangsschicht mit einer höheren Temperatur als die vorhergehende Übergangsschicht gebildet wird; und
e) Bilden einer Schicht aus Galliumnitridmaterial über einer sich anschließenden Übergangsschicht.

Eine der Übergangsschichten kann AlGaN beinhalten.
Eine der Übergangsschichten kann SiN beinhalten.
Die Schritte b) und e) können mindestens einmal wiederholt werden.
Die Metallschicht kann Al beinhalten.
Die Dicke der Metallschicht kann im Bereich von 1–2 Monoschichten liegen.
Das Verfahren kann ferner den Schritt, dazwischen liegende Schritte a) und b), des Bildens einer AlN-Schicht über dem Substrat beinhalten.
Die AlN-Schicht kann über der Metallschicht gebildet werden.
Das Substrat kann Silicium beinhalten.
Gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Galliumnitridmaterial bereitgestellt, das die folgenden Schritte beinhaltet:

a) Bereitstellen eines Substrats und Bilden einer Metallschicht über dem Substrat;
b) Bilden einer ersten Übergangsschicht über dem Substrat;
c) Bilden einer GaN-Schicht über der ersten Übergangsschicht;
d) Bilden einer zweiten Übergangsschicht über der GaN-Schicht; und
e) Bilden einer Schicht aus Galliumnitridmaterial über der zweiten Übergangsschicht;

Schritt d) kann mindestens einmal wiederholt werden.
Schritte d) und e) können mindestens einmal wiederholt werden.
Schritt d) kann das Bilden von mindestens zwei zusätzlichen Übergangsschichten beinhalten, so dass die Übergangsschichten aus AlGaN und SiN alternierend gebildet werden.
Jede Übergangsschicht kann mit einer höheren Temperatur als die vorhergehende Übergangsschicht gebildet werden.
Die Übergangsschichten können ein Übergitter beinhalten.
Das Verfahren kann ferner den Schritt des Bildens einer Pufferschicht zwischen dem Substrat und der ersten Übergangsschicht umfassen.
Das Verfahren kann ferner den Schritt des Bildens einer Pufferschicht zwischen der zweiten Übergangsschicht und der Galliumnitridmaterialschicht umfassen.
Die Metallschicht kann Al beinhalten.
Die Dicke der Metallschicht kann im Bereich von 1–2 Monoschichten liegen.
Das Verfahren kann ferner den zwischen den Schritten a) und b) stattfindenden Schritt des Bildens einer AlN-Schicht über dem Substrat umfassen.
Die AlN-Schicht kann über der Metallschicht gebildet werden.
Das Substrat kann Silicium beinhalten.
Gemäß einem sechsten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Substratmaterials bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet:

a) Bereitstellen eines Wafers aus einem Substratmaterial;
b) Behandeln des Wafers mittels Laser, um ein innerhalb des Wafers liegendes Ätzmuster zu erzeugen, wobei das Muster so gewählt ist, dass eine Wölbung des Wafers verursacht wird.

Die Laserbehandlung kann eine Stealth-Laserbehandlung beinhalten.
Die Wölbung kann konkav sein.
Die Wölbung kann konvex sein.
Das Substrat kann Silicium beinhalten.
Gemäß einem siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitervorlage zur Herstellung eines Galliumnitridmaterials, die ein Substrat mit einer über dem Substrat gebildeten Metallschicht und eine über dem Substrat gebildeten Übergangsschicht bereitgestellt, wobei die Übergangsschicht einen Konzentrationsgradienten hat, sodass die Zusammensetzung der Übergangsschicht in einer Tiefe (z) eine Funktion f(z) dieser Tiefe ist;
wobei die Al-Konzentrationsfunktion f(z) der Übergangsschicht ein Profil besitzt, das zwei Plateaus auf zugehörigen Tiefen z1 und z2 hat, wobei df(z1)/dz = df(z2)/dz = 0 gilt, und wobei die Funktion zwischen z1 und z2 kontinuierlich abfällt.
Gemäß einem achten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitervorlage zur Herstellung eines Galliumnitridmaterials, die ein Substrat mit einer über dem Substrat gebildeten Metallschicht beinhaltet, und einer über dem Substrat gebildeten Übergitter-Übergangsschicht bereitgestellt, wobei die Übergitter-Übergangsschicht einen solchen Gradienten hat, dass die Al-Konzentration der Übergitter-Übergangsschicht in einer Tiefe (z) eine Funktion f(z) dieser Tiefe ist; wobei die Al-Konzentrationsfunktion f(z) der Übergitter-Übergangsschicht über die ganze Dicke der Übergitter-Übergangsschicht kontinuierlich abfällt.
Gemäß einem neunten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitervorlage zur Herstellung eines Galliumnitridmaterials, die ein Substrat mit einer über dem Substrat gebildeten Metallschicht und eine über dem Substrat gebildete erste Übergangsschicht und eine über der ersten Übergangsschicht gebildete zweite Übergangsschicht bereitgestellt, wobei die zweite Übergangsschicht bei einer höheren Temperatur als die erste Übergangsschicht gebildet ist.
Gemäß einem zehnten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Halbleitervorlage zur Herstellung eines Galliumnitridmaterials, mit einem Substrat, mit einer über dem Substrat gebildeten Metallschicht, mit einer Schicht aus AlGaN und mit einer Schicht aus SiN, die über dem Substrat gebildet ist, bereitgestellt.
Das Substrat kann Silicium beinhalten.
Andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind wie in den Ansprüchen dargelegt.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 schematisch eine Halbleiterstruktur nach dem Stand der Technik zeigt, einschließlich einem Siliciumsubstrat, einer Zwischenschicht und einer GaN-Oberschicht;
2 eine Halbleiterstruktur nach dem Stand der Technik ähnlich wie die von 1 schematisch zeigt, aber mit einer Pufferschicht;
3 schematisch bekannte Gradierungsschemas für eine Einschubschicht zeigt; und
4 schematisch eine bekannte Übergitter-Halbleiterstruktur zeigt; die
5a, 5b und 5c schematisch halb-kontinuierliche Gradierungsschemas gemäß den jeweiligen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen; die
6a bis 9 schematische Schnittansichten von gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung gebildeten beispielhaften Strukturen zeigen; und die
10a und 10b schematisch ein laserbehandeltes Substrat in Plan- bzw. Schnittansichten, einschließlich einer konvexen Wölbung zeigen.
In einer ersten Ausführungsform wird Galliumnitridmaterial unter Verwendung einer Struktur ähnlich wie die in 1 gezeigt produziert. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung folgt das für die Übergangsschicht verwendete Schema für den Konzentrationsgradienten jedoch einem „hybriden” oder „halb-kontinuierlichen” Schema, wie in 5 gezeigt ist.
Genauer gesagt wird eine Übergangsschicht, die zum Beispiel AlGaN beinhaltet, über dem Substrat gebildet, die einen solchen Gradienten aufweist, dass die Zusammensetzung der Übergangsschicht in einer Tiefe (z) eine Funktion f(z) dieser Tiefe ist, wobei die Al-Konzentrationsfunktion f(z) der in Schritt b) gezüchteten Übergangsschicht ein Profil besitzt, das mindestens zwei Plateaus auf zugehörigen Tiefen z1 und z2 einschließt, wobei df(z1)/dz = df(z2)/dz = 0, und wobei die Funktion zwischen z1 und z2 kontinuierlich ansteigt. Tatsächlich zeigen sowohl 5a als auch 5b mehr als zwei Plateaus, nämlich zudem ein drittes Plateau z3, das ebenfalls eingezeichnet ist.
5a zeigt ein Beispiel, bei dem die Konzentrationsfunktion f(z) zwischen den Tiefen z1 und z2 linear verläuft. 5b zeigt indessen eine alternative beispielhafte Ausführungsform, bei der f(z) zwischen Tiefen z1 und z2 nicht-linear verläuft. So fällt, wie 5b zeigt, df(z)/dz, zwischen z1 und z2, von z1 auf z2 (konkave Kurve) ab, während df(z)/dz von z = z3 bis z4, abfällt (konvexe Kurve). Es kann jede Kombination linearer oder nicht-linearer kontinuierlicher Abfälle gewählt werden. 5c zeigt zum Beispiel ein Schema, bei dem alle Kurve zwischen z1 und z2, von z3 bis z4 konkav verlaufen.
Vorzugsweise kann die Konzentrationsfunktion die Konzentration von Aluminium in jeder Tiefe (z) der Übergangsschicht angeben. Obwohl Aluminium besonders geeignet ist, kann alternativ auch die Konzentration von anderen Stoffen so variiert werden.
Beispiel 1
In einer ersten Ausführungsform wird, wie in 6a gezeigt, eine Halbleitervorlage, die ein Substrat 3 und eine Anzahl von über dem Substrat gebildeten Übergangsschichten 7–10 beinhaltet, verwendet, um eine GaN-Materialschicht 2 zu produzieren. Hier wird eine erste Übergangsschicht 7 über dem Substrat 3 bei einer ersten Temperatur gebildet, es wird eine zweite Übergangsschicht 8 über der ersten Übergangsschicht 7 mit einer höheren Temperatur gebildet, und es werden ebenfalls anschließende Übergangsschichten 9 und 10 mit sukzessiv höheren Temperaturen gebildet.
Dieses Verfahren reduziert die Versetzungsdichte sowohl in der (röntgenkristallographischen) XRC-(102)- als auch (002)-Achse.
Die Übergangsschichten beinhalten zum Beispiel AlGaN oder können, ähnlich wie die Ausführungsform unten, AlGaN und SiN in alternierenden, gepaarten, Schichten beinhalten.
Beispiel 2
Dieses Beispiel bezieht sich auf das in 6b gezeigte. Ein (111)-Siliciumsubstrat von etwa 2, 4, 6 oder 8 Zoll im Durchmesser wird in die MOCVD geladen. Eine dünne Metallschicht 21, in diesem Fall aus Al, wird nach der thermischen Desorption bei 1050°C unter H2 etwa 10 Sekunden lang aufgebracht. Die Dicke des Al beträgt nur rund 1–2 Monolagen. Die Abdeckung des Al verhindert die Schmelz-Rückätzung von Si durch NH3. Dem Al-Aufwachsen folgt die Abscheidung von undotiertem AlN von 20–200 nm 22. Danach werden mehrere Übergangsschichten aus AlxGa1-xN aufgewachsen. Eine erste Übergangsschicht 31 wird mit einer Dicke von rund 20–200 nm und einem Al-Konzentrationsgradienten von 100% Al bis 80% Al aufgewachsen. Eine Schicht 32 aus Al0,80Ga0,2N wird dann aufgewachsen. Danach wird eine Schicht 33 mit einem auf 55% Al abfallenden Al-Konzentrationsgradienten aufgewachsen, dann wird eine Schicht 34 aus Al0,55Ga0,45N mit einer Dicke von 50–250 nm aufgewachsen. Dann wird Schicht 35 mit einem auf 25% Al abfallenden Al-Konzentrationsgradienten aufgewachsen, dann wird eine Schicht 36 aus Al0,25Ga0,75N mit einer Dicke von 50–300 nm aufgewachsen, dann wird eine Schicht 37 mit einem auf 0% Al abfallenden Al-Konzentrationsgradienten aufgewachsen, gefolgt von einer Schicht 38 aus GaN mit einer Dicke von rund 50–750 nm. Eine dünne Si3N4-Schicht 45 von rund 5–10 nm wird dann aufgewachsen, gefolgt von einer Schicht 39 aus n-GaN mit einer Dicke von rund 1 bis 4 μm. Dieses GaN wird in einem Dreistufen-Prozess aufgewachsen. Der erste Schritt erfolgt mit mittlerer niedriger Temperatur (950–1020°C) und hohem Druck (300 mbar gegen ATM) für das 3D-Aufwachsen, dann wird die Temperatur auf etwa 50–100°C erhöht und der Druck auf mittleren Wert von rund 200–500 mbar eingestellt für das 3D- bis 2D-GaN-Aufwachsen, dann wird der Druck auf rund 50–200 mbar reduziert und die Temperatur auf rund 102–1150°C erhöht für ein schnelles 2D-GaN-Aufwachsen. Das epitaktische Aufwachsender kompletten Vorrichtung wird im MOCVD-Reaktor fortgesetzt. Eine typische gebildete LED-Struktur beinhaltet die folgenden Schichten: InGaN/GaN MQW-aktive Region (30 Å/120 Å, 2–8 Paare), AlGaN:Mg-deckende Schicht (~200 Å), p-Typ Mg-dotiertes GaN (0,1–0,3 μm). Die Elektronen- und Lochkonzentrationen in den GaN:Si- und GaN:Mg-Schichten sind etwa 8 × 10¹⁸ cm^–3 bzw. 8 × 10¹⁷ cm^–3.
In einer Modifikation dieser Ausführungsform (nicht gezeigt) wird ein (111) Siliciumsubstrat von etwa 2, 4, 6 oder 8 Zoll im Durchmesser in die MOCVD geladen. Eine dünne Al-Schicht wird nach der thermischen Desorption etwa 10 Sekunden lang bei 1050°C unter H2 aufgebracht, gefolgt von der Aufbringung von undotiertem AlN von 20–200 nm. Dann wird eine Al0,25Ga0,75N-Schicht aufgebracht. Der erste Übergang wird mit dem Al0,9Ga0,1N mit einer Dicke von rund 15 nm plus einer dünnen Si3N4-Schicht aufgewachsen, dann wird eine GaN-Schicht von rund 0,5 bis 0,75 μm aufgewachsen, und der Übergangsschichtprozess wird dreimal wiederholt. Schließlich wird eine Schicht aus n-GaN mit einer Dicke von rund 1 bis 4 μm aufgewachsen. Das epitaktische Aufwachsen der kompletten Vorrichtung wird im MOCVD-Reaktor fortgesetzt. Eine typische gebildete LED-Struktur beinhaltet die folgenden Schichten: InGaN/GaN MQW-aktive Region (30 Å/120 Å, 2–8 Paare), AlGaN:Mg-deckende Schicht (~200 Å), p-Typ Mg-dotiertes GaN (0,1–0,3 μm). Die Elektronen- und Lochkonzentrationen in den GaN:Si- und GaN:Mg-Schichten sind etwa 8 × 10¹⁸ cm^–3 bzw. 8 × 10¹⁷ cm^–3.
Beispiel 3
6c zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem der Prozess ähnlich wie der von Beispiel 2 ist, mit der Ausnahme, dass eine zusätzliche AlxGa1-xN-Schicht 23 mit 0,1 < x <= 0,3 oberhalb des AlN gezüchtet wird, dann gefolgt von dem Aufwachsen einer Schicht 24 aus GaN und einer Schicht 45 aus SiN mit einer weiteren GaN-Schicht 24 darüber. Multiple Übergangsschichten 46 (gefolgt von einer weiteren GaN-Schicht 24), 47 (gefolgt von einer weiteren GaN-Schicht 24), und 48 aus AlxGa1-xN mit 0,1 < x < 1, werden dann sukzessive aufgewachsen, wobei jede Schicht mit einer anderen Temperatur aufgewachsen wird. In diesem Beispiel werden die Schichten 46, 47 und 48 mit 850, 890 bzw. 940°C aufgewachsen. Eine endgültige Schicht 39 aus GaN wird dann gezüchtet.
Beispiel 4
In einer weiteren Ausführungsform, in 7a gezeigt, wird eine Halbleitervorlage, die ein Substrat 3 und mindestens zwei über dem Substrat gebildete Übergangsschichten beinhaltet, verwendet, um eine GaN-Materialschicht 2 zu produzieren. Hier werden sich als Paar abwechselnde Übergangsschichten aus AlGaN 11 und SiN 12 über dem Substrat 3 gebildet. Diese Schichten könnten in beiden Reihenfolgen sein, d. h. so, dass die SiN-Schicht 12 nahe Substrat 3 gebildet werden kann, anstatt der AlGaN-Schicht 11 wie in 7a gezeigt.
Wie in der vorhergehenden Ausführungsform könnten sukzessive Übergangsschichten mit sukzessiv höheren Temperaturen gebildet werden.
Beispiel 5
7b zeigt ein weiteres Beispiel. Hier ist der Prozess ähnlich wie der von Beispiel 2, mit der Ausnahme, dass eine Schicht 23 aus AlGaN 25% oberhalb der Schicht 22 aus AlN gezüchtet wird. Eine Schicht 24 aus GaN wird gezüchtet, gefolgt von multiplen Übergangsschichten, die ein sich abwechselndes Paar aus einer AlGaN-Schicht 36 mit Al >= 50% und einer SiNx-Schicht 38 mit einer Dicke von weniger als 10 nm beinhalten. Nach Züchtung von jedem solchem Paar wird eine weitere GaN-Schicht 24 gezüchtet, gefolgt von einem anderen Übergangsschichtpaar. Insgesamt gibt es drei Sätze GaN-Schicht plus assoziierte gepaarte Übergangsschichten.
Die Übergangsschicht kann hier optional ein Übergitter beinhalten.
Beispiel 6
In einer anderen Ausführungsform wird eine Vorlagenstruktur, die generell ähnlich ist wie die von 4, verwendet, d. h. so dass eine Übergitter-Übergangsschicht über einem Substrat gebildet wird, wobei die Übergitter-Übergangsschicht hinsichtlich eines Konzentrationsgradienten so aufgebaut ist, dass die Zusammensetzung der Übergitter-Übergangsschicht in einer Tiefe (z) davon eine Funktion f(z) von dieser Tiefe ist. Dann kann eine Schicht aus Galliumnitridmaterial über der Übergitter-Übergangsschicht gebildet werden. Im Gegensatz zur bekannten Struktur aus 4 fällt die Al-Konzentrationsfunktion f(z) der Übergitter-Übergangsschicht durch die ganze Dicke der Übergitter-Übergangsschicht kontinuierlich ab. Die Verwendung eines kontinuierlichen Profils verhindert Gitter-Nichtübereinstimmung und somit Defektbildung.
Die Konzentrationsfunktion f(z) kann je nach Anforderung linear oder nicht-linear über die ganze Dicke der Übergitter-Übergangsschicht abfallen.
Beispiel 7
8 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem eine Schicht aus Al 21 auf dem Substrat 3 aufgewachsen wird, eine Schicht 22 aus AlN auf Schicht 21 aufgewachsen wird, eine Schicht 23 aus AlGaN auf Schicht 22 aufgewachsen wird und dann eine Übergangsschicht 28 darauf aufgewachsen wird, wobei Schicht 28 AlN/GaN-Übergitter aus AlN mit einer Dicke von 3 nm und GaN, mit kontinuierlich ansteigender Dicke von 4 bis 15 nm, beinhaltet. Eine Schicht aus GaN wird dann über Schicht 28 aufgewachsen. Die Dicke der Übergitterschicht 28 beträgt rund 100 bis 3500 nm.
Beispiel 8
9 zeigt ein weiteres Beispiel, bei dem der Prozess ähnlich ist wie der von Beispiel 7, mit der Ausnahme, dass es hier mehrere Übergangsschichten gibt, die die AlN/GaN-Übergitter 28 aus AlN mit einer Dicke von 3 nm und GaN mit kontinuierlich ansteigender Dicke von 4–15 nm umfassen und die zwischen den Schichten aus GaN 24 angeordnet sind. Eine Schicht 29 aus GaN wird auf der endgültigen Übergitterschicht 28 aufgebracht. Die Übergitterdicke von jeder Übergangsschicht beträgt rund 50 bis 500 nm.
Beispiel 9
10a und b zeigen als eine weitere Ausführungsform ein einen Durchmesser von (beispielsweise) 6 Zoll aufweisendes Silicium-(111) Substrat 41 von etwa 1000 μm Dicke, das unter Anwendung eines Lasers mit 942 nm vorgewärmt wird, um ein Muster innerhalb des Substrats zu erzeugen, sodass sich das Substrat biegt, wobei eine konvexe „Wölbung” mit einer Versatztiefe von rund 10–35 μm erzeugt wird. Der laserablatierte gemusterte Bereich 42 liegt innerhalb des Wafers in einer Tiefe von ungefähr 125 μm. Das verwendete Muster ist ein Quadratmuster mit 1×1 mm Lücke zwischen jeder Laserspur.
Ein solches gewölbtes Substrat kann zum Verbessern anschließender MOCVD-Aufwachsprozessen verwendet werden. Die Temperatur der Unterseite des Wafers während der Erwärmung ist stets höher als die der oberen Oberfläche, insbesondere bei schneller und leistungsstarker Erwärmung auf rund 1000°C (wie etwa beim Aufwachsen von GaN). Dies kann dazu führen, dass eine konkave Wölbung im Wafer verursacht wird, welche eine ungleichmäßige Aufbringungsdicke auf der Oberfläche bedingt. Durch eine unter Verwendung dieses Laserprozesses erhaltene vorgebildete konvexe Wölbung verursacht das anschließende Wölben, während der Erwärmung jedoch, dass sich der Wafer abflacht, was für eine gleichmäßigere Abscheidung sorgt.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind nur beispielhaft und der Fachmann kennt andere Möglichkeiten und Alternativen innerhalb des Geltungsbereichs der Erfindung klar. Zum Beispiel können mit jedem der oben dargelegten Schemas oder Strukturen eine oder mehrere Pufferschichten, zum Beispiel zwischen dem Substrat und unterer Übergangsschicht, oder zwischen der oberen Übergangsschicht und der gezüchteten Galliumnitridmaterialschicht, bereitgestellt werden.
Im Allgemeinen fördert die Verwendung von Silandotierung Zugspannungen deutlich. Ein Dreistufen-Züchtungsprozess, wie er oben beschrieben ist, führt jedoch zu einer deutlichen Verbesserung hinsichtlich des durch Silandotierung hervorgerufenen Zugspannungsgradienten. Die Übergangsschicht oder -schichten können zum Zweck des Bildens kompletter Vorrichtungen optional mit Silan oder Kohlenstoff dotiert werden. In diesem Fall wurde festgestellt, dass Silandotierungskonzentrationen bis etwa 6 × 10¹⁸/cm³ eine hinreichende Druckspannung aufrechterhalten können, auch mit einer einzelnen Übergangsschichtdicke von über 4 μm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6659287 [0010]
US 20020020341 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Galliumnitridmaterial, das die folgenden Schritte beinhaltet: a) Bereitstellen eines Substrats und Bilden einer Metallschicht über dem Substrat; b) Bilden einer Übergangsschicht über der Metallschicht, wobei die Übergangsschicht einen solchen Gradienten aufweist, dass die Zusammensetzung der Übergangsschicht in einer Tiefe (z) davon durch eine Al-Konzentrationsfunktion f(z) dieser Tiefe angegeben ist; und c) Bilden einer Schicht aus Galliumnitridmaterial über der Übergangsschicht; wobei die Al- Al-Konzentrationsfunktion f(z) der in Schritt b) gezüchteten Übergangsschicht ein Profil besitzt, das zwei Plateaus auf zugehörigen Tiefen z1 und z2 einschließt, wobei df(z1)/dz = df(z2)/dz = 0 gilt und wobei die Funktion zwischen z1 und z2, wobei z2 > z1 gilt, kontinuierlich abfällt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Al-Konzentrationsunterschied zwischen den zwei Plateaus weniger als oder gleich 30% der Al-Konzentration in der Tiefe z1 ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Al-Konzentrationsunterschied zwischen den zwei Plateaus weniger als oder gleich 30% der Al-Konzentration in der Tiefe z2 ist.
Verfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Konzentrationsfunktion f(z) mindestens ein zusätzliches Plateau bei einer jeweiligen Tiefe zn einschließt, wobei df(zn)/dz = 0 gilt.
Verfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, das ferner den Schritt des Bildens einer Pufferschicht zwischen dem Substrat und der Übergangsschicht beinhaltet.
Verfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, das ferner den Schritt des Bildens einer Pufferschicht zwischen der Übergangsschicht und der Galliumnitridmaterialschicht beinhaltet.
Verfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Übergangsschicht ein Übergitter aufweist.
Verfahren zur Herstellung von Galliumnitridmaterial, das die folgenden Schritte beinhaltet: a) Bereitstellen eines Substrats und Bilden einer Metallschicht über dem Substrat; b) Bilden einer Übergitter-Übergangsschicht über dem Substrat, wobei die Übergitter-Übergangsschicht aus mindestens einem Paar an Schichten aus Al_xIn_yGa_(1-x-y)N (0 < x <= 1) besteht, wobei jedes Schichtenpaar eine erste Schicht und eine zweite Schicht beinhaltet, wobei die zweite Schicht eine größere Dicke und niedrigere Al-Konzentration als die erste Schicht besitzt; und c) Bilden einer Schicht aus Galliumnitridmaterial über der Übergitter-Übergangsschicht.
Verfahren gemäß Anspruch 8, das ferner den zwischen den Schritten a) und b) stattfindenden Schritt des Bildens einer Al_xGa_(1-x)N-Schicht mit 0,1 < x < 0,9 über dem Substrat beinhaltet, wobei in Schritt b) die Übergitter-Übergangsschicht über der Al_xGa_(1-x)N-Schicht gebildet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 und 9, wobei Schritt b) mindestens einmal wiederholt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 und 10, wobei Schritte b) und c) mindestens einmal wiederholt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, das ferner den Schritt des Bildens einer Pufferschicht zwischen dem Substrat und der Übergitter-Übergangsschicht beinhaltet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, das ferner den Schritt des Bildens einer Pufferschicht zwischen der Übergitter-Übergangsschicht und der Galliumnitridmaterialschicht beinhaltet.
Verfahren zur Herstellung von Galliumnitridmaterial, das die folgenden Schritte beinhaltet: a) Bereitstellen eines Substrats und Bilden einer Metallschicht über dem Substrat; b) Bilden einer ersten Übergangsschicht über dem Substrat; c) Bilden einer Schicht aus GaN über der ersten Übergangsschicht; d) Bilden von mindestens einer sich anschließenden Übergangsschicht über der ersten Übergangsschicht, wobei jede sich anschließende Übergangsschicht mit einer höheren Temperatur als die vorhergehende Übergangsschicht gebildet wird; und e) Bilden einer Schicht aus Galliumnitridmaterial über einer sich anschließenden Übergangsschicht; wobei mindestens eine Übergangsschicht oder sich anschließende Übergangsschicht eine Schicht aus AlGaN und eine Schicht aus SiN beinhaltet.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei Schritte d) und e) mindestens einmal wiederholt werden.
Verfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Metallschicht Al beinhaltet.
Verfahren gemäß einem vorhergehenden Anspruch, das ferner den Schritt, dazwischen liegende Schritte a) und b), des Bildens einer AlN-Schicht über der Metallschicht beinhaltet.
Halbleitervorlage zur Herstellung eines Galliumnitridmaterials, das ein Substrat mit einer über dem Substrat gebildeten Metallschicht beinhaltet, und einer über dem Substrat gebildeten Übergangsschicht, wobei die Übergangsschicht einen solchen Gradienten aufweist, dass die Zusammensetzung der Übergangsschicht in einer Tiefe (z) davon eine Funktion f(z) von dieser Tiefe ist; wobei die Al-Konzentrationsfunktion f(z) der Übergangsschicht ein Profil besitzt, das zwei Plateaus auf zugehörigen Tiefen z1 und z2 einschließt, wobei df(z1)/dz = df(z2)/dz = 0 gilt und wobei die Funktion zwischen z1 und z2 kontinuierlich abfällt.