DE102014109335A1 - Verfahren zum Abscheiden säulenförmiger Strukturen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden säulenförmiger Strukturen (7) aus einem III-V-Material, insbesondere GaN oder AlGaN, wobei auf die Oberfläche eines Substrates (1) oder auf die Oberfläche einer darauf abgeschiedenen Bufferschicht eine nichtgeschlossene, insbesondere inselförmige erste Freiflächen (3) aufweisende erste Maskierungsschicht (2) abgeschieden wird, wobei auf den ersten Freiflächen (3) eine die Maskierungsschicht (2) vollständig überdeckende Keimschicht (4) abgeschieden wird, die eine ein Abscheiden der säulenförmigen Strukturen freundliche Oberfläche aufweist, wobei auf die Keimschicht (4) eine nichtgeschlossene, inselförmige zweite Freiflächen (6) umgebende zweite Maskierungsschicht abgeschieden wird, die eine ein Abscheiden der säulenförmigen Strukturen feindliche Oberfläche aufweist, wobei die säulenartigen Strukturen (7) in den zweiten Freiflächen (6) abgeschieden werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein optoelektronisches Bauelement mit einer auf einem Si-Substrat abgeschiedene erste Freiflächen (3) aufweisende erste Maskierungsschicht (2) aus SiN. Außerdem betrifft die Erfindung ein auf einem Si-Substrat aufgebauter monolithischer Schaltkreis mit ein oder mehreren MOS-Bauelementen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden säulenförmiger Strukturen aus einem III-V-Material, insbesondere GaN oder AlGaN Heterostrukturen.
  • Zur Erhöhung der Effizienz von Leuchtdioden oder dergleichen wird vorgeschlagen, die lichtemittierenden Schichten großflächig abzuscheiden und dann in die Schichten Gräben einzuätzen, um die Oberflächen der lichtemittierenden Volumenkörper zu erhöhen. Es ist erwünscht auf ein Si-Substrat oder auf eine Si-Bufferschicht unmittelbar säulenförmige Strukturen aus einem III-V-Material, insbesondere aus GaN oder AlGaN abzuscheiden, um daraus lichtemittierende Bauelemente herzustellen. Um das Wachstum auf lokale Zonen der Oberfläche der Bufferschicht zu beschränken, wird die Bufferschicht mit einer Maskierungsschicht versehen. Die Maskierungsschicht umgibt inselförmige Freiflächen, deren Oberfläche das Wachstum von GaN fördert. Die Oberfläche der Maske, die sich um die inselförmigen Freiflächen herum erstreckt, besitzt eine wachstumshemmende Eigenschaft für das III-V-Material.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Abscheiden säulenförmiger Strukturen anzugeben.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein optoelektronisches Bauelement anzugeben, das in vereinfachter Weise zu fertigen ist und insbesondere Bestandteil eines Schaltkreises sein kann.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst auf die Oberfläche eines Substrates oder auf die Oberfläche einer darauf abgeschiedenen Bufferschicht eine erste Maskierungsschicht abgeschieden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Substrat um ein (111)Si-Substrat, auf das säulenförmige Strukturen aus einem III-V-Material, insbesondere GaN oder AlGaN abgeschieden werden sollen. Die Maskierungsschicht wird derartig abgeschieden, dass nichtgeschlossene Freiflächen verbleiben. Die nichtgeschlossenen Freiflächen können inselförmige Freiflächen sein, die von der Maskierungsschicht umgeben sind. Es ist aber auch möglich, dass die Maskierungsschicht inselförmige Zonen ausbildet, die von den ersten Freiflächen umgeben sind. Wesentlich ist, dass Freiflächen verbleiben, auf die eine Keimschicht abgeschieden werden kann. Die Keimschicht muss eine derartige Zusammensetzung und eine derartige Orientierung besitzen, dass die darauf abgeschiedene GaN- oder AlGaN-Schicht lediglich in Vertikalrichtung, nicht aber in Lateralrichtung wächst. Die Keimschicht muss somit eine Polarität besitzen. Als Keimschicht wird bevorzugt AlN auf das Si-Substrat abgeschieden, derart, dass die N-Atome zur Schichtoberfläche weisen. Die Maskierungsschicht ist das Hilfsmittel, um der Keimschicht diese Polarität aufzuzwingen. Das Abscheiden der Maskierungsschicht erfolgt in der Prozesskammer eines CVD-Reaktors. Letzterer besitzt ein Gaseinlassorgan, durch welches unterschiedliche Prozessgase jeweils von einem Trägergas transportiert in die Prozesskammer eingeleitet werden kann. Die Prozesskammer besitzt einen Suszeptor, der beheizt wird. Auf dem Suszeptor liegen ein oder mehrere zu beschichtende Substrate auf. Zur Abscheidung der ersten Maskierungsschicht wird ein Stickstoff enthaltendes Gas, insbesondere NH3 in die Prozesskammer eingeleitet. Aufgrund einer Oberflächenreaktion bildet sich an zusammenhängenden Flächenzonen SiN. Die zusammenhängenden Flächenzonen sind von Freiflächen voneinander getrennt. Die Größe der Freiflächen hängt von der Substrattemperatur und von der Dauer des Beschichtungsschrittes ab.
  • Durch eine optische Beobachtung des Schichtwachstums kann der Zeitpunkt ermittelt werden, wann das Abscheiden der Maskierungsschicht beendet werden muss. Nach Beendigung des Einleitens der gasförmigen N-Komponente liegt eine nichtgeschlossene SiN-Schicht vor. Auf die Freiflächen zwischen denen aus SiN bestehenden Flächenzonen wird die oben genannte Keimschicht abgeschieden. Die Keimschicht enthält kein oder nur wenig Ga. Sie besteht insbesondere aus AlN oder AlGaN mit einem geringen Ga-Anteil und bildet einen polaren Festkörper. Als Folge der ersten Maskierungsschicht und der Gasphasenzusammensetzung orientieren sich die N-Atome der Keimschicht nach oben zur Schichtoberfläche. Die Keimschicht ist somit N-polar (Stickstoff-Polar). Die N-Polarität bildet sich insbesondere dadurch aus, dass die Keimschicht die Maskierungsschicht vollständig überdeckt. Die erste Maskierungsschicht dient somit im Wesentlichen dazu, die Polarisierung der Keimschicht derart festzulegen, dass die N-Atome nach oben, also zur Oberfläche weisen. Die N-Komponente wird bei der Beschichtung als NH3 in die Prozesskammer eingeleitet. Die Al- bzw. Ga-Komponente wird in Form einer metallorganischen Verbindung in die Prozesskammer eingeleitet.
  • Die Oberfläche der Keimschicht hat die Eigenschaft abscheidefreundlich gegenüber dem Material der säulenförmigen Strukturen, also dem III-V-Material zu sein. Sie hat die Eigenschaft, vertikales Wachstum von GaN oder AlGaN zu ermöglichen. Auf die Keimschicht wird in einem weiteren Abscheideprozess eine nichtgeschlossene zweite Maskierungsschicht abgeschieden. Wie bei der Abscheidung der ersten Maskierungsschicht sollen zufällig auf der Oberfläche angeordnete Freiflächen verbleiben. Die Freiflächen müssen hier inselförmig sein. Sie werden somit von der zweiten Maskierungsschicht umgeben. Da sowohl die ersten Freiflächen als auch die zweiten Freiflächen wahllos und in zufälliger Größe auf dem Substrat verteilt angeordnet sind, besteht keinerlei geometrische Beziehung zwischen den beiden Freiflächen. Während die erste Freifläche dazu vorgesehen ist, um die Polarisierung der Keimschicht zu forcieren, ist die zweite Maskierungsschicht dazu vorgesehen, Freiflächen abzugrenzen, auf denen die säulenförmigen Strukturen abgeschieden werden. Zu diesem Zweck besitzt die zweite Maskierungsschicht eine Oberfläche, die abscheidefeindlich gegenüber dem Material der säulenförmigen Strukturen, also insbesondere einem III-V-Material und insbesondere GaN oder AlGaN ist. Die zweite Maskierungsschicht kann aus SiN bestehen und wird durch Einleiten von SiH4 oder Si2H6 in die Prozesskammer zusammen mit NH3 abgeschieden. Auch hier hängt die Größe der Freiflächen von der Dauer des Abscheidevorgangs und der Prozesstemperatur ab. Auch hier lässt sich das Schichtwachstum optisch beobachten, beispielsweise mittels Fotosensoren und einem Laserstrahl, so dass der Beschichtungsprozess zu einem Zeitpunkt abgebrochen werden kann, bei dem die Freiflächen die gewünschte Größe erreicht haben. Nach dem Abscheiden der zweiten Maskierungsschicht besitzt die Oberfläche somit Freiflächen, auf denen hexagonales vertikales Wachstum von GaN stattfinden kann und die Freiflächen umgebende Maskierungsflächen, auf denen allenfalls pyramidales Wachstum von GaN stattfinden kann. In einem nächsten Schritt wird durch Einleiten von TMGa und gegebenenfalls TMAl sowie NH3 oder anderen metallorganischen III-Verbindungen oder V-Hydride eine mehrere μm dicke Schicht auf den zweiten Freiflächen abgeschieden. Das Wachstum erfolgt hier anders als beim Abscheiden der Keimschicht nicht lateral über die Maskierungsfläche, sondern lediglich im Wesentlichen vertikal, so dass die erwünschten säulenförmigen Strukturen in einer Höhe von etwa 10 μm bis 30 μm entstehen. Die Flächen der Freiflächen haben einen Flächeninhalt, der dem eines Kreises mit einem Durchmesser von 3 μm bis 20 μm entspricht. Der Abstand einzelner Säulen beträgt etwa 10 μm bis 20 μm. Die Säulen haben einen hexagonalen Grundriss und sind voneinander beabstandet. In weiteren Prozessschritten werden auf die freien Flächen der Säulen, also insbesondere auf die sechs Mantelflächen und auf die Stirnfläche, eine aktive Schicht bzw. eine aktive Schichtenfolge, beispielsweise aus InGaN, AlGaN zur Fertigung von Bauelementen abgeschieden.
  • In einer Variante des Verfahrens können die säulenartigen Strukturen auch dadurch abgeschieden werden, dass zusätzlich zum TMGa und NH3 SiH4 in die Prozesskammer eingespeist wird.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1 Zur allgemeinen Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer dreidimensionalen Darstellung unskaliert und rein schematisch eine auf einem Substrat 1 abgeschiedene erste Maskierungsschicht 2, wobei die Schichtdicke der Maskierungsschicht 2 zur Verdeutlichung erheblich dicker dargestellt ist, als sie in Wirklichkeit ist und die Umrisskonturen der Freiflächen 3 willkürlich gewählt worden sind;
  • 2 das Abscheiden einer Keimschicht 4 in die Freiflächen 3 der ersten Maskierungsschicht 2 zu einem ersten Zeitpunkt, zu dem lediglich auf den freien Oberflächenabschnitten des Substrates 1 die Keimschicht 4 aufgewachsen ist, auch diese Darstellung ist rein schematisch, eine durch die Kristallstruktur bedingte bspw. hexagonale Struktur der Schicht ist hier unberücksichtigt geblieben;
  • 3 eine Folgedarstellung zu einem weiteren Zeitpunkt, bei dem das vertikale Wachstum der Keimschicht 4 in laterales Wachstum übergegangen ist;
  • 4 eine Folgedarstellung nach dem Abscheiden einer vollständigen, die Maskierungsschicht 2 überdeckenden Keimschicht 4;
  • 5 eine Folgedarstellung nach Abscheiden einer zweiten Maskierungsschicht 5 auf die Keimschicht 4;
  • 6 eine Folgedarstellung nach dem Abscheiden säulenartiger Strukturen 7 in die beim Abscheiden der zweiten Maskierungsschicht 5 frei belassenen Freiflächen 6, auch hier sind die säulenförmigen Strukturen unskaliert und rein schematisch. ohne Berücksichtigung eines kristallgitterbedingten, bspw. hexagonalen Grundrisses dargestellt;
  • 7 eine Darstellung gemäß 6 eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei der das Substrat ein (111)Si-Subtrat, die Maskierungsschicht 2 eine SiN-Schicht, die Keimschicht 4 eine ALN-Schicht, die Maskierungsschicht 5 eine SiN-Schicht ist und die säulenartigen Strukturen 7 aus GaN bestehen, die einen hexagonalen Grundriss aufweisen;
  • 8 ein Ausführungsbeispiel einer Prozesskammer 11 eines CVD-Reaktors 10 im Querschnitt;
  • 9 eine Darstellung gemäß 7 eines anderen Typs eines CVD-Reaktors 10;
  • 10 eine um 45° geneigte SEM-Aufnahme einer Oberfläche einer abgeschiedenen GaN-Säulenstruktur, wobei der Durchmesser der Säule etwa 4 μm und die Höhe der Säule etwa 24,5 μm beträgt; und
  • 11 eine weiter vergrößerte SEM-Aufnahme der Stirnseite einer einzelnen Säule mit einem Durchmesser von 4 μm.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen optoelektronischen Bauelemente kann in einer Prozesskammer 11 eines CVD-Reaktors 10 durchgeführt werden, wie er schematisch in den 7 und 8 dargestellt ist. In einem nach außen gasdichten Gehäuse befindet sich eine Prozesskammer 11, in die durch ein Gaseinlassorgan 12 Prozessgase eingespeist werden können. Bei dem in der 7 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich das Gaseinlassorgan 12 im Zentrum der Prozesskammer 11. Bei dem in der 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gaseinlassorgan 12 als Showerhead ausgebildet.
  • Der Boden der Prozesskammer 11 wird von einem von unten mittels einer Heizung 14 beheizten Suszeptor 13 ausgebildet, welcher aus beschichtetem Graphit bestehen kann. Die Oberseite des Suszeptors 13, die dem Gaseinlassorgan 12 zugewandt ist, trägt ein oder mehrere Substrate 1. Nicht verbrauchtes Prozessgas bzw. das Trägergas kann die Prozesskammer durch einen Gasauslass 15 wieder verlassen.
  • Die 1 bis 6 zeigen ganz allgemein ohne Berücksichtigung der kristallinen Struktur der Keimschicht 4 oder der säulenartigen Strukturen die Schritte des Verfahrens, wobei die nachfolgenden Erläuterungen sich auf das in der
  • 7 dargestellte konkrete Ausführungsbeispiel beziehen, bei dem säulenartige GaN-Strukturen auf ein Si-Substrat abgeschieden werden.
  • Bevor die Beschichtung des Substrates beginnt, erfolgt eine Deoxidation und eine Reinigung der auf dem Suszeptor 13 aufliegenden Substrate 1, bei denen es sich um ein (111)Si-Substrat handelt. Der Reinigungsschritt kann durch Einleiten von H2 und gegebenenfalls auch Silan erfolgen.
  • In einem ersten Prozessschritt wird bei einer ersten Prozesstemperatur für eine geeignete Abscheidezeit NH3 in die Prozesskammer eingeleitet. Das NH3 zerlegt sich insbesondere an der Oberfläche des Substrates 1, wobei der Stickstoff in die Oberfläche des Si-Substrates eingebaut wird, so dass sich dort Zonen ausbilden, die eine SiN-Oberfläche aufweisen. Die N-Atome weisen dabei zur Oberfläche der Schicht. Die Abscheidezeit und die Abscheidetemperatur sind so gewählt, dass die SiN-Schicht 2 nur unvollständig die Oberfläche des Substrates 1 bedeckt und dass insbesondere inselförmige Freiräume 3 verbleiben. Der Boden der inselförmigen Freiräume 3 wird somit von einer (111)Si-Fläche ausgebildet. Mittels geeigneter optischer Messinstrumente, insbesondere unter Verwendung einer Lichtquelle und eines Lichtdetektors kann in situ die jeweilige Größe der verbleibenden Freiflächen ermittelt werden. Das Ergebnis dieses Verfahrensschrittes ist grob schematisch in der 1 dargestellt.
  • Da das Abscheiden einer Ga enthaltenden Schicht auf eine Si-Oberfläche die Zerstörung der Si-Oberfläche zur Folge hätte, wird auf die Maskierungsschicht 2 eine AlN-Schicht abgeschieden. Diese Schicht kann aber trotzdem geringe Mengen an Ga enthalten. Hierzu werden in die Prozesskammer TMAl, NH3 und gegebenenfalls geringe Mengen an TMGa eingespeist. Da SiN eine abscheidungsfeindliche Oberfläche für AlN besitzt, erfolgt das Schichtwachstum der Keimschicht 4 zunächst nur auf den Freiflächen 3 der Maskierungsschicht 2, wie es die 2 ganz allgemein verdeutlicht. Zunächst erfolgt vertikales Wachstum. Beim Abscheiden von AIN bilden sich jedoch in den von der Maskierungsschicht 2 umrandeten Freiflächen 3 zunächst hexagonale Strukturen aus.
  • In einer weiteren Phase der AlN-Abscheidung, die in der 3 ganz allgemein dargestellt ist, überwächst die AlN-Schicht die Maskierungsschicht 2. Das laterale Wachstum wird solange fortgesetzt bis eine geschlossene AlN-Schicht 4 erreicht ist, was in der 4 dargestellt ist.
  • Die AlN-Schicht besitzt als Folge der aufgebrachten ersten Maskierungsschicht eine N-Polarität, d. h. dass die N-Atome der AlN-Schicht zur Oberfläche weisen.
  • Anschließend wird auf die Keimschicht 4 eine unvollständige Maskierungsschicht aus SiN abgeschieden. Die SiN-Schicht wird durch Einleiten von SiH4 oder Si2H6 in Verbindung mit NH3 in die Prozesskammer abgeschieden. Auch hier wird die Abscheidungsdauer und die Abscheidungstemperatur so gewählt, dass eine unvollständige zweite Maskierungsschicht 5 aus SiN entsteht. Das Wachstum kann auch hier in situ optisch überwacht werden. Es verbleiben somit zweite inselförmige Freiflächen 6, deren Oberfläche AlN ist. Das Ergebnis dieses Verfahrensschrittes ist ganz allgemein in der 5 dargestellt. Auch hier ist die Schichtdicke der zweiten Maskierungsschicht 5 zur Verdeutlichung deutlich vergrößert dargestellt.
  • Sowohl die ersten Freiflächen 3 als auch die zweiten Freiflächen 6 sind wahllos über die Oberfläche verteilt. Es gibt somit keine Korrelation zwischen den beiden Freiflächen 3 bzw. 6. Die Freiflächen 6 haben einen Flächeninhalt, der dem Flächeninhalt eines Kreises entspricht, der einen Durchmesser bis 20 μm besitzt. Der Abstand der inselförmigen Freiflächen 6 voneinander beträgt ebenfalls 10 μm bis 20 μm voneinander. Wesentlich ist, dass die Freiflächen 6 voneinander getrennt sind. Sie sind gewissermaßen Löcher in der Maskierungsschicht 5.
  • In einem darauffolgenden Abscheideprozess werden durch Einspeisen weiterer Prozessgase in die Prozesskammer säulenförmige Strukturen 7 abgeschieden. Das Ergebnis dieses Verfahrensschrittes zeigt die 6 rein schematisch und ohne Berücksichtigung von kristallgitterbedingten Symmetrien an.
  • Die 7 zeigt schematisch das Ergebnis des Verfahrensschrittes, wenn auf die wie oben beschrieben maskierte Oberfläche säulenförmige Strukturen 7 aus GaN abgeschieden werden, wobei hierzu TMGa und NH3 in die Prozesskammer eingespeist werden. Es scheiden sich somit in Vertikalrichtung Strukturen mit einem hexagonalen Grundriss ab. Als Folge der N-Polarität der Bodenfläche der Freiflächen 6 findet im Wesentlichen ausschließlich vertikales Wachstum statt. Es kommt zu keinem lateralen Wachstum über die Oberseite der zweiten Maskierungsschicht 5. Die Oberfläche der zweiten Maskierungsschicht 5 hat die Eigenschaft, dass auf ihr das Wachstum von GaN gehemmt ist. Die Keimschicht 4 hat hingegen die Eigenschaft, dass das vertikale Wachstum der GaN-Schicht gefördert wird. Zusätzliches Einspeisen von SiH4 ist förderlich, um laterales Wachstum zu verhindern.
  • Das Ergebnis des Abscheideprozesses wird im Prinzip in der 6 und qualitativ in der 7 verdeutlicht. Es bilden sich Säulen 7 in einer Säulenhöhe von 10 μm bis 20 μm aus, die einen hexagonalen Grundriss aufweisen. Auf diese säulenartigen Strukturen werden in ein oder mehreren weiteren Prozessschritten eine aktive Schicht abgeschieden. Es handelt sich dabei um eine Schicht aus InGaN bzw. AlGaN oder einer anderen geeigneten III-V-Halbleiterschicht. Das Wachstum findet nicht nur auf der Stirnseite, sondern auch an den Mantelflächen der Säulen statt. Auf diese Weise können durch Anlegen eines Stromes leuchtende Strukturen gefertigt werden.
  • Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, dass sämtliche zuvor beschriebenen Prozessschritte, beginnend vom in situ Reinigen des Substrates bis zum Erzeugen der säulenartigen Strukturen und das Abscheiden der aktiven Schicht in einer einzigen Prozesskammer durchgeführt werden können. Das Substrat muss zwischen den einzelnen Prozessschritten nicht aus der Prozesskammer herausgenommen werden. Das Fertigen der säulenartigen Strukturen erfolgt somit ohne zwischenzeitiges Öffnen der Prozesskammer, da beide Maskierungsschichten in situ erzeugt werden.
  • Im Folgenden wird ein erstes Beispiel eines Beschichtungsprozesses erörtert:
    • 1. In einem Reinigungsschritt bei einer Temperatur von ungefähr 940° wird für 10 Minuten bei einem Totaldruck von 50 mbar ein Totalfluss von 670 nmol/min in die Prozesskammer geleitet. Die Temperatur kann hier im Bereich zwischen 800° und 1.200°, die Zeit zwischen 1 Minute und 60 Minuten, der Totaldruck zwischen 25 mbar und 400 mbar und der Massenfluss des Silans zwischen 0 μmol/min und 2 μmol/min variieren.
    • 2. In einem ersten Maskierungsschritt wird bei derselben Temperatur für 5 Sekunden ein NH3-Fluss von 535,7 μmol/min in die Prozesskammer eingeleitet.
    • 3. Das Abscheiden der Keimschicht erfolgt in zwei aufeinanderfolgenden Schritten. In einem ersten Schritt wird bei einer Temperatur von etwa 1.040°C für eine Zeit von 5 Minuten bei einem Totaldruck von 50 mbar 535,7 μmol/min NH3 und 10,6 μmol/min TMAl in die Prozesskammer gegeben. Das Verhältnis der Partialdrücke der V-III-Komponenten liegt hier bei 50,6. Die Temperatur kann im Bereich zwischen 700° und 1.300°C variieren, der Totaldruck in einem Bereich von 25 mbar bis 400 mbar. In einem zweiten Schritt wird bei einer Temperatur von 1.140°C für eine Zeit von 5 Minuten und einem Totaldruck von 50 mbar 156,3 mmol/min NH3 und 21,2 μmol/min TMAl in die Prozesskammer eingespeist. Das Verhältnis der Partialdrücke der V-III-Komponenten liegt hier bei 7.380.
    • 4. Das Abscheiden der zweiten Maskierungsschicht erfolgt bei einem Totaldruck von 300 mbar für eine Zeit von 250 Sekunden mit einem NH3-Fluss von 89,3 mmol/min und einem SiH4-Fluss von 1 μmol/min.
    • 5. Das Abscheiden der säulenartigen Strukturen erfolgt in zwei aufeinander folgenden Schritten. In einem ersten Schritt wird bei einer Temperatur zwischen 980°C und 1.040°C für eine Zeit von 10 Sekunden bis 40 Sekunden bei einem Totaldruck von 800 mbar 3.500 μmol/min NH3 und 216,3 μmol/min TMAl in die Prozesskammer eingespeist. Die Temperatur kann im Bereich zwischen 700° und 1.200° liegen. Die Zeiten können auch zwischen 1 Sekunde und 600 Sekunden variieren. Der Totaldruck soll im Bereich zwischen 50 mbar und 900 mbar liegen. Das Verhältnis der Partialdrücke der V-III-Komponenten liegt hier bei 10,3. In einem zweiten Schritt werden unter der Zugabe eines SiH4-Flusses von 500 nmol/min SiH4 zugegeben. Damit wird eine Dotierung erreicht. Der SiH4-Fluss kann im Bereich zwischen 1 nmol/min und 2 μmol/min variieren.
  • In allen Prozessschritten wird neben den oben genannten Prozessgasen SiH4, TMAl und NH3 noch ein Inertgas in die Prozesskammer als Trägergas eingespeist, bei dem es sich um H2 handelt.
  • Im Folgenden wird ein zweites Beispiel erläutert. Auch hier werden die Prozessgase zusammen mit einem H2 als Trägergas in die Prozesskammer eingespeist:
    • 1. In einem zweistufigen Reinigungsprozess wird in einem ersten Prozessschritt für 400 Sekunden ein TMAl-Fluss von 20 sccm und ein NH3-Fluss von 12 sccm bei einem V/III-Verhältnis von 50 in die Prozesskammer eingespeist. In einem zweiten Schritt wird bei einer Temperatur von 1.145°C bei einem Totaldruck von 50 mbar und einer Wasserstoffatmosphäre für 600 Sekunden ein SiH4-Fluss von 15 sccm in die Prozesskammer eingespeist.
    • 2. In einem ersten Maskierungsschritt wird 5 Sekunden NH3 in die Prozesskammer eingeleitet. Die Temperatur beträgt hier 1.240°C, der Totaldruck 50 mbar und der NH3-Fluss 12 sccm.
    • 3. Das Wachstum der Keimschicht erfolgt in mehreren aufeinander folgenden Schritten. Für eine Zeit von 60 Sekunden werden bei einer Temperatur von 1.290°C und einem Totaldruck von 50 mbar 40 sccm TMAl in die Prozesskammer eingeleitet. Anschließend wird für eine Zeit von 480 Sekunden bei einer Temperatur von 1.340°C ein TMAl-Fluss von 40 sccm und ein NH3-Fluss von 3.500 sccm in die Prozesskammer eingeleitet. Schließlich wird für eine Zeit von 200 Sekunden bei einer Temperatur von 1.245°C und einem Totaldruck von 300 mbar ein TMGa-Fluss von 55 sccm in die Prozesskammer eingeleitet.
    • 4. Das Abscheiden der zweiten Maskierungsschicht erfolgt durch Einleiten eines SiH4-Flusses von 22,5 sccm für eine Zeit von 250 Sekunden. Anschließend wird 30 Sekunden ein Fluss von 3.500 sccm NH3 in die Prozesskammer eingeleitet.
    • 5. Das Abscheiden der Säulen erfolgt ebenfalls in mehreren aufeinander folgenden Schritten. In einem ersten Schritt wird für 20 Sekunden ein TMGa-Fluss von 55 sccm in die Prozesskammer eingeleitet. Anschließend wird bei einem Totaldruck von 800 mbar für eine Zeit von 100 Sekunden 50 sccm NH3, 20 sccm SiH4 und 55 sccm TMGa in die Prozesskammer eingeleitet. Der Wachstumsschritt der GaN-Säule dauert etwa 480 Sekunden.
  • Die 10 zeigt eine SEM-Aufnahme auf eine Gruppe mit von den vorgenannten Verfahrensparametern erzeugten Säulen, wobei die Säulen 7 einen Durchmesser von 4 μm und eine Höhe von 24,5 μm besitzen. Die Mehrheit der Säulen sind bei der Handhabung des Substrates nach dem Beschichten abgebrochen, so dass man lediglich die Säulenstümpfe erkennen kann.
  • Die 11 zeigt vergrößert die Säule in der Mitte der 10.
  • Säulenartige Strukturen im Sinne der Erfindung können die Elemente GaAl, In, P, N, As enthalten. Das Abscheiden der säulenförmigen Strukturen erfolgt durch Einspeisen von TMGa, TMAl, TMIn, AsH3, PH3 oder NH3.
  • Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils eigenständig weiterbilden, nämlich:
    Ein Verfahren zum Abscheiden säulenförmiger Strukturen 7 aus einem III-V-Material, insbesondere GaN oder AlGaN, wobei auf die Oberfläche eines Substrates 1 oder auf die Oberfläche einer darauf abgeschiedenen Bufferschicht eine nichtgeschlossene, insbesondere inselförmige erste Freiflächen 3 aufweisende erste Maskierungsschicht 2 abgeschieden wird, wobei auf den ersten Freiflächen 3 eine die Maskierungsschicht 2 vollständig überdeckende Keimschicht 4 abgeschieden wird, die eine ein Abscheiden der säulenförmigen Strukturen freundliche Oberfläche aufweist, wobei auf die Keimschicht 4 eine nichtgeschlossene, inselförmige zweite Freiflächen 6 umgebende zweite Maskierungsschicht 5 abgeschieden wird, die eine ein Abscheiden der säulenförmigen Strukturen feindliche Oberfläche aufweist, wobei die Säulen 7 in den zweiten Freiflächen 6 abgeschieden werden.
  • Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren in einer Prozesskammer 11 eines CVD-Reaktors 10 durchgeführt wird, der ein Gaseinlassorgan 12 aufweist, durch das Prozessgase in eine Prozesskammer 11 einleitbar sind, in welcher auf einem geheizten Suszeptor 13 das Substrat 1 angeordnet ist.
  • Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Maskierungsschicht 2 eine SiN-Schicht ist, die durch Einspeisen von SiH4 oder Si2H6 in die Prozesskammer 11 abgeschieden wird, wobei die Größe der Freiflächen 3 durch die Parameter Abscheidezeit und Temperatur des Suszeptors festgelegt werden.
  • Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Keimschicht 4 eine AlN-Schicht oder AlGaN-Schicht ist und durch Einspeisen von TMGa und/oder TMAl sowie NH3 abgeschieden wird.
  • Ein Verfahren, bei dem in einem ersten Teilschritt lediglich TMAl und NH3 in die Prozesskammer eingespeist wird.
  • Ein Verfahren, bei dem beim Abscheiden der säulenartigen Strukturen 7 zusätzlich zu Prozessgasen der III. und V. Hauptgruppe SiH4 in die Prozesskammer eingespeist wird.
  • Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die zweite Maskierungsschicht 5 eine SiN-Schicht ist und durch Einspeisen von SiH4 oder Si2H6 zusammen mit NH3 abgeschieden wird, wobei die Größe der Freiflächen 6 durch die Abscheidedauer und Suszeptortemperatur festgelegt ist.
  • Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Maskierungsschicht 2 derart auf das Substrat 1 oder eine auf dem Substrat aufgebrachte Bufferschicht abgeschieden wird, dass eine N-polarisierte Keimschicht entsteht.
  • Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Keimschicht 4 eine Schichtdicke von 15 nm bis 30 nm aufweist, das Substrat ein (111)Si-Substrat ist und/oder das die säulenartigen Strukturen einen Durchmesser von 3 μm bis 20 μm, eine Höhe von 10 μm bis 20 μm und einen Abstand von 10 μm bis 20 μm besitzen.
  • Ein Optoelektronisches Bauelement mit einer auf einem Si-Substrat abgeschiedene erste Freiflächen 3 aufweisende erste Maskierungsschicht 2 aus SiN, wobei auf den ersten Freiflächen 3 eine die Maskierungsschicht 2 vollständig überdeckende Keimschicht 4 aus AlN oder AlGaN abgeschieden ist, wobei auf die Keimschicht 4 eine nichtgeschlossene, inselförmige zweite Freiflächen 6 umgebende zweite Maskierungsschicht 5 aus SiN abgeschieden ist und in die inselförmigen zweiten Freiflächen 6 Säulen 7 aus GaN oder AlGaN abgeschieden sind.
  • Ein auf einem Si-Substrat aufgebauter monolithischer Schaltkreis mit ein oder mehreren MOS-Bauelementen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Schaltkreis zumindest ein optisches Bauelement aufweist.
  • Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Substrat
    2
    erste Maskierungsschicht
    3
    erste Freiflächen
    4
    Keimschicht
    5
    zweite Maskierungsschicht
    6
    zweite Freiflächen
    7
    säulenförmige Struktur
    10
    CVD-Reaktor
    11
    Prozesskammer
    12
    Gaseinlassorgan
    13
    Suszeptor
    14
    Heizung
    15
    Gasauslass

Claims (12)

  1. Verfahren zum Abscheiden säulenförmiger Strukturen (7) aus einem III-V-Material, insbesondere GaN oder AlGaN, wobei auf die Oberfläche eines Substrates (1) oder auf die Oberfläche einer darauf abgeschiedenen Bufferschicht eine nichtgeschlossene, insbesondere inselförmige erste Freiflächen (3) aufweisende erste Maskierungsschicht (2) abgeschieden wird, wobei auf den ersten Freiflächen (3) eine die Maskierungsschicht (2) vollständig überdeckende Keimschicht (4) abgeschieden wird, die eine ein Abscheiden der säulenförmigen Strukturen freundliche Oberfläche aufweist, wobei auf die Keimschicht (4) eine nichtgeschlossene, inselförmige zweite Freiflächen (6) umgebende zweite Maskierungsschicht (5) abgeschieden wird, die eine ein Abscheiden der säulenförmigen Strukturen feindliche Oberfläche aufweist, wobei die säulenartigen Strukturen (7) in den zweiten Freiflächen (6) abgeschieden werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einer Prozesskammer (11) eines CVD-Reaktors (10) durchgeführt wird, der ein Gaseinlassorgan (12) aufweist, durch das Prozessgase in eine Prozesskammer (11) einleitbar sind, in welcher auf einem geheizten Suszeptor (13) das Substrat (1) angeordnet ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Maskierungsschicht (2) eine SiN-Schicht ist, die durch Einspeisen von SiH4 oder Si2H6 in die Prozesskammer (11) abgeschieden wird, wobei die Größe der Freiflächen (3) durch die Parameter Abscheidezeit und Temperatur des Suszeptors festgelegt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimschicht (4) eine AlN-Schicht oder AlGaN-Schicht ist und durch Einspeisen von TMGa und/oder TMAl sowie NH3 insbesondere in mehreren aufeinanderfolgenden Teilschritten, wobei in einem ersten Teilschritt lediglich TMAl und NH3 in die Prozesskammer eingespeist wird, abgeschieden wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Maskierungsschicht (5) eine SiN-Schicht ist und durch Einspeisen von SiH4 oder Si2H6 zusammen mit NH3 abgeschieden wird, wobei die Größe der Freiflächen (6) durch die Abscheidedauer und Suszeptortemperatur festgelegt ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Maskierungsschicht (2) derart auf das Substrat (1) oder eine auf dem Substrat aufgebrachte Bufferschicht abgeschieden wird, dass eine N-polarisierte Keimschicht entsteht.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die säulenartigen Strukturen (7) in ein oder mehreren aufeinanderfolgenden Teilprozessschritten abgeschieden werden, wobei TMGa und NH3 in die Prozesskammer eingespeist werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abscheiden der säulenartige Struktur (7) zusätzlich SiH4 in die Prozesskammer eingespeist wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keimschicht (4) eine Schichtdicke von 15 nm bis 30 nm aufweist, das Substrat ein (111)Si-Substrat ist und/oder das die säulenartigen Strukturen (7) einen Durchmesser bis 20 μm, eine Höhe von 10 μm bis 30 μm und einen Abstand von 10 μm bis 20 μm besitzen.
  10. Optoelektronisches Bauelement mit einer auf einem Si-Substrat abgeschiedene erste Freiflächen (3) aufweisende erste Maskierungsschicht (2) aus SiN, wobei auf den ersten Freiflächen (3) eine die Maskierungsschicht (2) vollständig überdeckende Keimschicht (4) aus AlN oder AlGaN abgeschieden ist, wobei auf die Keimschicht (4) eine nichtgeschlossene, inselförmige zweite Freiflächen (6) umgebende zweite Maskierungsschicht (5) aus SiN abgeschieden ist und in die inselförmigen zweiten Freiflächen (6) Säulen (7) aus GaN, AlGaN, InP, GaAs oder einer anderen III-V-Verbindung, insbesondere ternäre und quaternäre Verbindung abgeschieden sind.
  11. Auf einem Si-Substrat aufgebauter monolithischer Schaltkreis mit ein oder mehreren MOS-Bauelementen, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis zumindest ein optisches Bauelement gemäß Anspruch 10 aufweist.
  12. Bauelement oder Verfahren, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.
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