DE102015109761A1 - Verfahren zur Herstellung eines Nitrid-Halbleiterbauelements und Nitrid-Halbleiterbauelement - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Nitrid-Halbleiterbauelements und Nitrid-Halbleiterbauelement Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Nitrid-Halbleiterbauelements (100) angegeben, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (1) mit einer Aufwachsoberfläche (10), die durch eine ebene Fläche (11) mit einer Vielzahl dreidimensional ausgeformter Oberflächenstrukturen (12) auf der ebenen Fläche (11) gebildet wird, – Aufwachsen einer Nitrid-basierten Halbleiterschichtenfolge (30) auf der Aufwachsoberfläche (10), wobei das Aufwachsen selektiv auf einer Anwachsfläche (13) des Aufwachssubstrats beginnt, und wobei die Anwachsfläche (13) kleiner als 45 % der Aufwachsoberfläche (10) ist. Weiterhin wird ein mit dem Verfahren herstellbares Nitrid-Hableiterbauelement (100) beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Nitrid-Halbleiterbauelements, insbesondere eines optoelektronischen Nitrid-Halbleiterbauelements.
  • Zur Herstellung von Nitrid-Halbleiterbauelementen wie beispielsweise LEDs werden die funktionellen Schichten des Bauelements in der Regel epitaktisch auf einem geeigneten Aufwachssubstrat abgeschieden. Zum Aufwachsen von Nitridverbindungshalbleiter-Schichten sind insbesondere Saphirsubstrate geeignet. Beim heteroepitaktischen Aufwachsen eines Nitridverbindungshalbleiters auf Saphir können sich aufgrund der vorhandenen Gitterfehlanpassung Defekte in dem Halbleitermaterial ausbilden. Diese Defekte treten insbesondere in einer Anwachszone des Nitrid-Halbleitermaterials an der Grenzfläche zum Aufwachsubstrat auf. Dies kann zu einer Verminderung der Effizienz des Bauelements führen. Insbesondere kann die erhöhte Defektdichte in den Anwachsbereichen beim Betrieb eines strahlungsemittierenden Nitrid-Halbleiterbauelements zur Absorption von Strahlung an der Grenzfläche zwischen dem Aufwachsubstrat und der Halbleiterschichtenfolge führen.
  • Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Nitrid-Halbleiterbauelements anzugeben, mit dem eine verringerte Defektdichte an der Grenzfläche zum Aufwachsubstrat erzielt wird. Weiterhin soll ein Nitrid-Halbleiterbauelement angegeben werden, das sich durch eine geringe Defektdichte an der Grenzfläche zum Aufwachsubstrat auszeichnet, um beispielsweise die Absorption an dieser Grenzfläche zu vermindern.
  • Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Nitrid-Halbleiterbauelements und durch ein Nitrid-Halbleiterbauelement gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Bei dem Verfahren wird gemäß zumindest einer Ausgestaltung ein Aufwachssubstrat bereitgestellt, das eine Aufwachsoberfläche aufweist, die durch eine ebene Fläche mit einer Vielzahl dreidimensional ausgeformter Oberflächenstrukturen auf der ebenen Fläche gebildet wird. Das Aufwachssubstrat weist eine Aufwachsoberfläche auf, auf der in folgenden Verfahrensschritten Halbleiterschichten aufgebracht werden. Die Aufwachsoberfläche wird durch eine ebene Fläche gebildet, auf der eine Vielzahl dreidimensional ausgeformter Oberflächenstrukturen ausgebildet ist. Mit anderen Worten weist die Aufwachsoberfläche einen zweidimensional ausgebildeten Bereich, gebildet durch die ebene Fläche, und dreidimensional ausgebildete Bereiche, gebildet durch die Oberflächenstrukturen, auf, die aus der durch die ebene Fläche gebildeten Ebene herausragen. Aufgrund der dreidimensionalen Oberflächenstrukturen auf der ebenen Fläche der Aufwachsoberfläche kann das Substrat auch als vorstrukturiertes Substrat bezeichnet werden.
  • Beispielsweise können die Oberflächenstrukturen durch Erhebungen gebildet sein, die sich von der ebenen Fläche wegerstrecken. Die Erhebungen können besonders bevorzugt kegelförmig sein und damit bei einer Aufsicht auf die Aufwachsoberfläche einen runden Querschnitt haben, oder pyramidenförmig sein und damit bei einer Aufsicht auf die Aufwachsoberfläche einen polygonalen Querschnitt, beispielsweise einen dreieckigen, viereckigen, sechseckigen oder einen anderen mehreckigen Querschnitt, aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in einem weiteren Verfahrensschritt auf Aufwachsoberfläche eine Halbleiterschichtenfolge aufgewachsen. Die Halbleiterschichtenfolge kann insbesondere mittels eines Epitaxieverfahrens wie MOVPE (metallorganische Gasphasenabscheidung, „metal-organic vapor-phase epitaxy“) aufgewachsen werden.
  • Die Halbleiterschichtenfolge kann insbesondere eine Nitrid-basierte Halbleiterschichtenfolge sein. Unter die Bezeichnung „Nitrid-basiert“ fallen insbesondere Halbleiterschichten und Halbleiterschichtenfolgen, die ein Material aus dem III-V-Verbindungshalbleitermaterialsystem InxAlyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweisen, beispielsweise also GaN, AlN, AlGaN, InGaN oder AlInGaN. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen. Der Einfachheit halber sind jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters der Halbleiterschichtenfolge, also Al, Ga, In sowie N, angegeben, auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt und/oder ergänzt sein können.
  • Bei dem Verfahren beginnt das Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge vorteilhaft selektiv auf einer Anwachsfläche des Aufwachssubstrats, wobei die Anwachsfläche nur ein Teil der Aufwachsoberfläche des Aufwachssubstrats ist. Hierbei ist die Anwachsfläche vorteilhaft kleiner als 45 % der Aufwachsoberfläche, bevorzugt kleiner als 25 % der Aufwachsoberfläche und besonders bevorzugt kleiner als 5 % der Aufwachsoberfläche.
  • Das Verfahren macht sich insbesondere die Erkenntnis zu Nutze, dass in den Bereichen, in denen das Nitrid-Halbleitermaterial der Halbleiterschichtenfolge anwächst, eine erhöhte Defektdichte auftritt. Die Defektdichte in der Grenzschicht zwischen dem Aufwachsubstrat und der Halbleiterschichtenfolge und gegebenenfalls auch in den nachfolgenden Schichten wird bei dem Verfahren dadurch vermindert, dass die Anwachsfläche derart minimiert wird, dass sie wesentlich kleiner als gesamte Fläche des Aufwachssubstrats ist. Auf diese Weise wird im Fall eines strahlungsemittierenden Bauelements vorteilhaft die Absorption an der Grenzfläche zwischen dem Aufwachsubstrat und der Nitrid-basierten Halbleiterschichtenfolge vermindert. Dies ist insbesondere für solche Nitrid-Halbleiterbauelemente von Vorteil, bei denen das Aufwachsubstrat nicht während der Herstellung entfernt wird und somit im fertigen Bauelement verbleibt.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung ist die Anwachsfläche die ebene Fläche oder ein Teil der ebenen Fläche. Beim Aufwachsen eines Nitrid-Halbleitermaterials auf ein Aufwachssubstrat, das eine ebene Fläche und eine Vielzahl von auf der ebenen Fläche gebildeten dreidimensional ausgeformten Oberflächenstrukturen aufweist, beginnt das Wachstum selektiv im Bereich der ebenen Fläche. Auf den dreidimensional ausgeformten Oberflächenstrukturen wächst das Nitrid-Halbleitermaterial im wesentlichen nicht an, vielmehr werden die dreidimensional ausgeformter Oberflächenstrukturen erst in einem späteren Stadium des Wachstums des Nitrid-Halbleitermaterials in lateraler Richtung überwachsen. Die Anwachsfläche kann somit dadurch minimiert werden, dass das Verhältnis der ebenen Fläche, welche zumindest teilweise die Anwachsfläche ausbildet, zu der mit den dreidimensional ausgeformten Oberflächenstrukturen versehenen Fläche vermindert wird. Vorzugsweise ist die ebene Fläche kleiner als 45 %, bevorzugt kleiner als 25 % und besonders bevorzugt kleiner als 5 % der Aufwachsoberfläche.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Anwachsfläche kleiner als die ebene Fläche. Die Anwachsfläche kann zum Beispiel weniger als 90 %, bevorzugt weniger als 60 % und besonders bevorzugt weniger als 30 % der ebenen Fläche betragen. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass auf einen Teil der ebenen Fläche zur Verringerung der Anwachsfläche eine Schicht aus einem Material aufgebracht wird, auf dem ein Nitrid-Halbleitermaterial im wesentlichen nicht anwachsen kann. Das Anwachsen des Nitrid-Halbleitermaterials erfolgt in diesem Fall nicht auf der gesamten ebenen Fläche zwischen den dreidimensionalen Strukturen, sondern nur in den Bereichen der ebenen Fläche, die nicht mit der Schicht bedeckt sind.
  • Das Material, auf dem ein Nitrid-Halbleitermaterial im wesentlichen nicht anwachsen kann, ist vorzugsweise eine Oxidverbindung oder eine Nitridverbindung. Vorzugsweise ist das Material ein Siliziumoxid, ein Siliziumnitrid oder ein Titannitrid.
  • Gemäß zumindest einer Ausgestaltung wird die Anwachsfläche durch eine Vielzahl von nicht miteinander verbundenen Teilbereichen der ebenen Fläche gebildet. Die nicht miteinander verbundenen Teilbereiche der ebenen Fläche können insbesondere an die dreidimensionalen Strukturen angrenzen.
  • Die Teilbereiche können zum Beispiel runde, insbesondere kreisrunde, Flächen sein, in denen die ebene Oberfläche des Aufwachssubstrats zwischen den dreidimensionalen Strukturen freiliegt. Die Teilbereiche können auch andere geometrische Formen aufweisen, beispielsweise eine mehreckige, insbesondere quadratische oder sechseckige Form.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die nicht miteinander verbunden Teilbereiche der ebenen Fläche Öffnungen in der Schicht aus dem Material sind, auf dem ein Nitrid-Halbleitermaterial im wesentlichen nicht anwachsen kann. Auch in diesem Fall können die Teilbereiche zum Beispiel runde, insbesondere kreisrunde, oder mehreckige, insbesondere quadratische oder sechseckige, Flächen sein.
  • Gemäß zumindest einer weiteren Ausgestaltung wird auf Teilbereiche der ebenen Fläche eine Nukleationsschicht aufgebracht, welches das Anwachsen eines Nitrid-Halbleitermaterials fördert. Das Material der Nukleationsschicht kann zum Beispiel Aluminiumnitrid, insbesondere ein sauerstoffhaltiges Aluminiumnitrid (AlN:O) sein. Der Sauerstoff kann in der Nukleationsschicht als Dotierung oder sogar im Prozentbereich vorliegen. Mittels der Nukleationsschicht kann die Selektivität des Wachstums erhöht werden. Insbesondere kann durch sauerstoffhaltiges AlN die Selektivität in Bezug darauf beeinflusst werden, auf welchen Oberflächenbereichen der Aufwachsoberfläche die auf die Nukleationsschicht aufgebrachte Halbleiterschicht aufwächst.
  • Das Aufwachsubstrat weist bei dem Verfahren vorzugsweise Saphir auf oder besteht daraus. Saphir ist vorteilhaft für die von einem optoelektronischen Bauelement emittierte Strahlung transparent, so dass zumindest ein Teil der Strahlung durch das Aufwachsubstrat ausgekoppelt werden kann. Wenn eine Emission zu einer dem Aufwachssubstrat gegenüberliegenden Strahlungsaustrittsfläche der Nitrid-Halbleiterschichtenfolge erwünscht ist, kann eine der Halbleiterschichtenfolge gegenüberliegende Rückseite des Aufwachssubstrats mit einer Spiegelschicht versehen werden. Alternativ kann der Halbleiterchip zum Beispiel auf einem reflektierenden Leadframe angeordnet sein, so dass auf eine Spiegelschicht verzichtet werden kann.
  • Die Nitrid-basierte Halbleiterschichtenfolge, welcher auf das Aufwachsubstrat aufgebracht wird, enthält vorzugsweise einen n-dotierten Halbleiterbereich, einen p-dotierten Halbleiterbereich und eine zwischen dem n-dotierten Halbleiterbereich und dem p-dotierten Halbleiterbereich angeordnete aktive Schicht. Die aktive Schicht ist vorzugsweise eine zur Emission von elektromagnetischer Strahlung geeignete Schicht. Insbesondere kann das Nitrid-Halbleiterbauelement eine Leuchtdiode sein.
  • Eine Ausführungsform des Nitrid-Halbleiterbauelements umfasst vorteilhaft ein Aufwachssubstrat mit einer Aufwachsoberfläche, die durch eine ebene Fläche mit einer Vielzahl von dreidimensional ausgeformten Oberflächenstrukturen auf der ebenen Fläche gebildet wird. Auf der Aufwachsoberfläche ist eine Nitrid-basierte Halbleiterschichtenfolge angeordnet. Dabei weist die Nitrid-basierte Halbleiterschichtenfolge an einer Grenzfläche zum Aufwachsubstrat auf einer Anwachsfläche angeordnete erste Bereich auf, in denen die Defektdichte größer ist als im zweiten Bereichen, welche die ersten Bereiche in lateraler Richtung umgeben, und wobei die Anwachsfläche kleiner als 45 % der Aufwachsoberfläche, bevorzugt kleiner als 25 % der Aufwachsoberfläche und besonders bevorzugt kleiner als 5 % der Aufwachsoberfläche ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Nitrid-Halbleiterbauelement ein strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement, bei dem das Aufwachsubstrat ein transparentes Substrat ist. Das transparente Substrat kann insbesondere ein Saphirsubstrat sein.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Nitrid-Halbleiterbauelements ergeben sich aus der vorherigen Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung des Nitrid-Halbleiterbauelements und umgekehrt.
  • Die Erfindung wird im Folgenden im Zusammenhang mit den 1 bis 5 näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Nitrid-Halbleiterbauelements,
  • 2A eine schematische Darstellung eines Aufwachsubstrats im Querschnitt,
  • 2B und 2C schematische Darstellungen von Aufwachsubstraten in einer Draufsicht,
  • 3A bis 3C eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens anhand von Zwischenschritten,
  • 4A bis 4C eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens anhand von Zwischenschritten,
  • 5A bis 5C schematische Darstellungen von Aufwachsubstraten in einer Draufsicht.
  • Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Nitrid-Halbleiterbauelements 100 dargestellt. Bei dem Ausführungsbeispiel ist das Nitrid-Halbleiterbauelement 100 ein strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement, insbesondere eine Leuchtdiode.
  • Das Nitrid-Halbleiterbauelement 100 weist ein Aufwachssubstrat 1 auf, auf das eine Halbleiterschichtenfolge 30 aufgebracht ist. Die Halbleiterschichtenfolge 30 kann insbesondere epitaktisch, beispielsweise mittels MOVPE, auf das Aufwachsubstrat 1 aufgebracht werden.
  • Die Halbleiterschichtenfolge 30 umfasst beispielsweise eine auf das Aufwachsubstrat 1 aufgebrachte Pufferschicht 2, sowie einen n-dotierten Halbleiterbereich 3, einen p-dotierten Halbleiterbereich 5 und eine zwischen dem n-dotierten Halbleiterbereich 3 und dem p-dotierten Halbleiterbereich 5 angeordnete strahlungsemittierende aktive Schicht 4. Die Pufferschicht 2, der n-dotierte Halbleiterbereich 3, die aktive Schicht 4 und der p-dotierte Halbleiterbereich 5 können jeweils eine oder mehrere Einzelschichten umfassen.
  • Die Halbleiterschichtenfolge 30 ist vorzugsweise eine Nitrid-basierte Halbleiterschichtenfolge. Die Halbleiterschichten 2, 3, 4, 5 der Halbleiterschichtenfolge 30 können insbesondere InxAlyGa1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweisen, beispielsweise also GaN, AlN, AlGaN, InGaN, oder AlInGaN. Dabei kann die Halbleiterschichtenfolge Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen.
  • Die Halbleiterschichtenfolge 30 kann weiterhin mit elektrischen Kontakten 6, 7 zur Stromzuführung versehen sein. Beispielsweise kann das Nitrid-Halbleiterbauelement 100 einen p-Kontakt 6 und einen n-Kontakt 7 aufweisen.
  • Das Aufwachsubstrat 1 des Nitrid-Halbleiterbauelements 100 weist eine Aufwachsoberfläche 10 auf, auf die die Halbleiterschichtenfolge 30 aufgewachsen ist. Die Aufwachsoberfläche 10 weist eine zweidimensional ausgebildete ebene Fläche 11 auf, auf der eine Vielzahl dreidimensional ausgeformter Oberflächenstrukturen 12 angeordnet sind.
  • Mögliche Ausgestaltungen des Aufwachssubstrats 1 sind zur Verdeutlichung in 2A im Querschnitt und in den 2B und 2C in einer Aufsicht dargestellt. Wie im Querschnitt der 2A zeigt ist, ragen die Oberflächenstrukturen 12 aus der durch die ebene Fläche 11 gebildeten Ebene heraus. Die dreidimensional ausgeformten Oberflächenstrukturen 12 sind als Erhebungen ausgebildet, die sich von der ebenen Fläche 11 nach oben weg erstrecken.
  • Wie in 2B gezeigt ist, kann der Querschnitt der Oberflächenstrukturen 12 rund und insbesondere kreisförmig sein. Die Oberflächenstrukturen 12 können zum Beispiel als kegelförmige Erhebungen ausgebildet sein. Alternativ hierzu können die Oberflächenstrukturen 12, wie in 2C gezeigt ist, auch einen eckigen, beispielsweise einen sechseckigen, Querschnitt aufweisen, sodass die Oberflächenstrukturen 12 auch als pyramidenförmige Erhebungen auf der ebenen Fläche 11 ausgebildet sein können. Zwischen den als Erhebungen ausgebildeten Oberflächenstrukturen 12 erstreckt sich die ebene Fläche 11.
  • Das Aufwachsubstrat 1 kann insbesondere Aluminiumoxid aufweisen oder daraus bestehen. Insbesondere kann das Aufwachsubstrat 1 ein Saphirsubstrat sein. Die ebene Fläche 11 wird besonders bevorzugt durch eine kristallografische c-Fläche oder (-c)-Fläche des Aluminiumoxids gebildet, das besonders geeignet zum Aufwachsen von Nitrid-basierten Halbleitermaterialien ist. Dementsprechend werden die Oberflächen der Oberflächenstrukturen 12 entsprechend ihrer Orientierung relativ zur ebenen Fläche 11 durch eine Vielzahl anderer Kristallflächen gebildet.
  • Wieder Bezug nehmend auf 1 weist die Halbleiterschichtenfolge 30 Anwachsbereiche 20 auf. Die Anwachsbereiche 20 bedecken nur einen Teil der Aufwachsoberfläche 10. Dies beruht darauf, dass das Nitrid-Halbleitermaterial beim Beginn des epitaktischen Wachstums selektiv auf Anwachsflächen 13 der Aufwachsoberfläche 10 aufwächst. Es hat sich insbesondere herausgestellt, dass das Aufwachsen eines Nitrid-Halbleitermaterials auf einem strukturierten Aufwachsubstrat 1, dass durch ebene Flächen 11 und darauf angeordnete Oberflächenstrukturen 12 gebildet wird, selektiv auf den ebenen Flächen 11 beginnt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 werden die Anwachsflächen 13 somit durch die ebenen Flächen 11 gebildet.
  • Es zeigt sich, dass in den Anwachsbereichen 20 eine höhere Defektdichte auftritt als in der übrigen Nitrid-basierten Halbleiterschichtenfolge 30. Die Defektdichte verringert sich beim lateralen Überwachsen der Oberflächenstrukturen 12. Im Bereich der funktionellen Schichten 3, 4, 5 der Nitrid-basierten Halbleiterschichtenfolge 30 kann daher eine vergleichsweise geringe Defektdichte erreicht werden. Die Qualität der funktionellen Schichten 3, 4, 5 des Nitrid-Halbleiterbauelements 100 wird daher durch die höhere Defektdichte in den Anwachsbereichen 20 im wesentlichen nicht beeinträchtigt.
  • Das hierin beschriebene Verfahren und Nitrid-Halbleiterbauelement machen sich unter anderem die Erkenntnis zu Nutze, dass die höhere Defektdichte in den Anwachsbereichen 20 die Effizienz des Nitrid-Halbleiterbauelements zumindest dadurch beeinträchtigen kann, dass ein von der aktiven Schicht 4 emittierter Lichtstrahl 9 in den Anwachsbereichen 20 aufgrund der höheren Defektdichte verstärkt absorbiert wird.
  • Beispielhaft ist in 1 ein Lichtstrahl 9 dargestellt, der ausgehend von der aktiven Schicht 4 in Richtung des Aufwachssubstrats 1 emittiert wird. Der Lichtstrahl 9 durchquert beispielsweise einen der Anwachsbereiche 20 und das vorzugsweise transparente Aufwachsubstrat 1, an dessen Rückseite eine Spiegelschicht 8 aufgebracht sein kann. Nach der Reflexion an Spiegelschicht 8 kann der Lichtstrahl 9 beispielsweise erneut das Aufwachsubstrat 1 und einen der Anwachsbereiche 20 durchqueren. Bei dem dargestellten Beispiel trifft der von der Spiegelschicht 8 reflektierte Lichtstrahl 9 unter einem Einfallwinkel, der größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, auf die der Spiegelschicht 8 gegenüberliegende Strahlungsaustrittsfläche 31 des Nitrid-Halbleiterbauelements auf. Der Lichtstrahl 9 wird deshalb nicht unmittelbar emittiert, sondern durch innere Totalreflexion erneut in Richtung des Aufwachssubstrats 1 umgelenkt. Im Bereich des Aufwachssubstrats 1 trifft der Lichtstrahl 9 dann beispielsweise auf eine der Oberflächenstrukturen 12, an der er derart reflektiert oder gebeugt wird, dass er unter einem Einfallswinkel, der kleiner als der Grenzwinkel der Totalreflexion ist, auf die Strahlungsauskoppelfläche 31 auftrifft. In diesem Fall wird der Lichtstrahl aus dem Nitrid-Halbleiterbauelement 100 ausgekoppelt.
  • Die in den Anwachsbereichen 20 aufgrund der höheren Defektdichte erhöhte Absorption vermindert die Effizienz des Nitrid-Halbleiterbauelements. Ausgehend von dieser Erkenntnis wird die Anwachsfläche 13 bei dem Verfahren und bei dem Nitrid-Halbleiterbauelement vorteilhaft derart minimiert, dass die Anwachsfläche 13 kleiner als 45 %, bevorzugt kleiner als 25 % und besonders bevorzugt kleiner als 5 % der Aufwachsoberfläche 10 ist. Daraus resultiert vorteilhaft ein geringeres Volumen der Anwachsbereiche 20. Da die Absorption mit dem Volumen korreliert, führt eine Reduktion der Anwachsbereiche 20 zu einer Reduktion der Absorption und damit im Fall eines strahlungsemittierenden Nitrid-Halbleiterbauelements 100 zu einer Erhöhung der Helligkeit.
  • Die Verringerung der Absorption in den Anwachsbereichen 20 hat weiterhin den Vorteil, dass sich eine absorptionsbedingte Veränderung des Farborts der emittierten Strahlung vermindert. Im Fall von Absorption kann sich der Farbort verändern, da die Energie des absorbierten Lichts sowohl nicht-strahlend in Form von Wärme oder in Form von Strahlung durch lumineszierende Defekte abgegeben werden kann, wodurch sich das Emissionsspektrum verändern kann.
  • Eine Reduzierung der Anwachsfläche 13 kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Anteil der ebenen Fläche 11 an der Gesamtfläche der Aufwachsoberfläche 10 auf weniger als 90 %, bevorzugt weniger als 60 % und besonders bevorzugt weniger als 30 % minimiert wird. Dies kann bei dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch erfolgen, dass die Größe und/oder die Dichte der dreidimensionalen Oberflächenstrukturen 12 derart eingestellt werden, dass die ebene Fläche 11 in den Zwischenräumen zwischen den Oberflächenstrukturen 12 entsprechend klein wird.
  • Zur Erzielung eines hohen Anteils der Oberflächenstrukturen 12 an der Gesamtfläche der Aufwachsoberfläche 10 kann es vorteilhaft sein, wenn sich die Oberflächenstrukturen 12 zumindest teilweise in ihrer Größe und/oder in ihrer Form voneinander unterscheiden. Beispielsweise ermöglichen dreidimensionale Oberflächenstrukturen 12, die sich in ihrer lateralen Ausdehnung voneinander unterscheiden, eine hohe Belegungsdichte der Aufwachsoberfläche 10 mit den dreidimensionalen Oberflächenstrukturen 12. In diesem Fall können beispielsweise kleinere Oberflächenstrukturen 12 die Zwischenräume zwischen größeren Oberflächenstrukturen 12 zumindest teilweise ausfüllen.
  • Zur Verringerung der Größe der Anwachsbereiche 20 können weiterhin die Prozessbedingungen beim epitaktisch Wachstum derart eingestellt werden, dass die Selektivität des Wachstums zwischen der ebenen Fläche 11 und den dreidimensionalen Strukturen 12 erhöht wird. Dies kann beispielsweise beim Aufwachsen mittels MOVPE durch Einstellung des Verhältnisses der Hydride (H2, NH3) sowie der Metallorganyle (z.B. TMGa, TEGa, TMAl) erfolgen. Insbesondere kann zur Verbesserung der Selektivität die H2-Zufuhr erhöht oder die Zufuhr von NH3, TMGa, TEGa oder TMAL vermindert werden. Weiterhin kann die Selektivität durch eine Erhöhung der Wachstumstemperatur verbessert werden.
  • In den 3A bis 3C sind Zwischenschritte bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Aufwachsubstrat 1 wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen eine ebene Fläche 11 und darauf angeordnete dreidimensionale Oberflächenstrukturen 12 auf, die beispielsweise kegelförmig oder pyramidenförmig sein können. Wie in 3A dargestellt, ist auf Teilbereiche der ebenen Fläche 11 eine Schicht 14 aufgebracht worden, die aus einem Material gebildet ist, auf dem ein Nitridverbindungshalbleitermaterial nur schlecht oder gar nicht aufwachsen kann. Die Schicht 14 kann zum Beispiel ein Siliziumnitrid, ein Siliziumoxid oder ein Titannitrid aufweisen.
  • Durch das Aufbringen der Schicht 14 wird die Anwachsfläche 13 vorteilhaft verkleinert. Die Anwachsfläche 13 wird vorteilhaft durch Öffnungen in der Schicht 14 gebildet, in denen ein Teil der ebenen Fläche 11 des Aufwachssubstrats 1 freiliegt. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Anwachsfläche 13 kleiner als die ebene Fläche 11 ist.
  • Wie in 3B dargestellt, beginnt das Aufwachsen der Nitrid-Halbleiterschichtenfolge in Anwachsbereichen 20, die auf den Anwachsflächen 13 angeordnet sind. Im Gegensatz dazu erfolgt auf den dreidimensionalen Oberflächenstrukturen 12 und auf der Schicht 14 im Wesentlichen kein Anwachsen des Nitrid-Halbleitermaterials.
  • Im Zwischenschritt der 3C ist die gesamte Pufferschicht 2 aufgewachsen worden. Die Schicht 14 und die Oberflächenstrukturen 12 werden beim Wachstum der Pufferschicht 2 ausgehend von den Anwachsbereichen 20 im wesentlichen lateral überwachsen, wodurch die Defektdichte vermindert wird. Eine erhöhte Defektdichte liegt daher vorteilhaft nur in den vergleichsweise kleinen Anwachsbereichen 20 vor. Nach dem Aufwachsen der Pufferschicht 2, die beispielsweise auch mehrere Teilschichten umfassen kann, kann in einem weiteren Schritt zum Beispiel die funktionale Halbleiterschichtenfolge eines optoelektronischen Bauelements aufgewachsen werden.
  • In den 4A bis 4C sind Zwischenschritte bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens dargestellt. Wie bei dem Ausführungsbeispiel der 3A weist das Aufwachsubstrat 1 eine ebene Fläche 11 und darauf angeordnete dreidimensionale Oberflächenstrukturen 12 auf. Wie in 4A dargestellt, ist auf einen Teil der ebenen Fläche 11 eine Nukleationsschicht 15 aufgebracht worden. Die Nukleationsschicht 15 enthält vorzugsweise ein sauerstoffhaltiges Aluminiumnitrid (AlN:O). Dadurch, dass die Nukleationsschicht 15 das Anwachsen eines Nitrid-Halbleitermaterials fördert, wird die Anwachsfläche im wesentlichen durch die Oberfläche der Nukleationsschicht 15 ausgebildet. Wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel ist somit die Anwachsfläche 13 kleiner als die ebene Fläche 11.
  • Das Anwachsen erfolgt, wie in 4B dargestellt, im Wesentlichen auf der Oberfläche der Nukleationsschicht 15, auf der sich die Anwachsbereiche 20 ausbilden. Nach dem vollständigen Aufwachsen der Pufferschicht 2 sind, wie in 4C dargestellt, die weiteren Bereiche der Aufwachsoberfläche, insbesondere die dreidimensionalen Oberflächenstrukturen 12, von dem Halbleitermaterial überwachsen worden.
  • In den 5A, 5B und 5C sind jeweils Beispiele von Aufwachsubstraten 1 in einer Draufsicht dargestellt, welche schematisch und nicht maßstabsgerecht verschiedene Möglichkeiten zur Anordnung der ebenen Flächen 11 und der dreidimensionalen Oberflächenstrukturen darstellen.
  • Bei dem Beispiel der 5A ist die ebene Fläche 11 des Aufwachssubstrats 1 eine zusammenhängende Fläche, welche eine Vielzahl von dreidimensionalen Oberflächenstrukturen 12, die beispielsweise kegelförmig sind, gibt.
  • Im Gegensatz dazu weist das Aufwachsubstrat 1 bei dem Beispiel der 5B eine Vielzahl von nicht zusammenhängenden ebenen Flächen 11 auf, welche von einem zusammenhängenden Bereich dreidimensionaler Oberflächenstrukturen 12 umgeben sind. Die ebenen Flächen 11 können beispielsweise kreisförmig sein oder einen anderen Querschnitt aufweisen. Dadurch, dass die ebenen Flächen 11 bei diesem Ausführungsbeispiel nicht zusammenhängend sind, kann der Anteil der ebenen Fläche 11 an der Gesamtfläche des Aufwachssubstrats 1 im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der 5A vergleichsweise gering gehalten werden.
  • Das Aufwachsubstrat 1 gemäß dem Beispiel der 5C weist eine Vielzahl von nicht zusammenhängenden Anwachsflächen 13 auf, die zum Beispiel durch Öffnungen in einer Schicht 14 gebildet sind, auf der ein Nitrid-Halbleitermaterial im wesentlichen nicht aufwachsen kann. Weiterhin weist das Aufwachssubstrat 1 dreidimensionale Oberflächenstrukturen 12 auf, welche beispielsweise aus der Schicht 14 herausragen. Die dreidimensionalen Oberflächenstrukturen 12 können in einem fertigen Bauelement vorteilhaft Strahlung, die in Richtung des Aufwachssubstrats 1 emittiert wird, in die Richtung einer Strahlungsaustrittsfläche reflektieren oder streuen.
  • Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Nitrid-Halbleiterbauelements (100), umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (1) mit einer Aufwachsoberfläche (10), die durch eine ebene Fläche (11) mit einer Vielzahl dreidimensional ausgeformter Oberflächenstrukturen (12) auf der ebenen Fläche (11) gebildet wird, – Aufwachsen einer Nitrid-basierten Halbleiterschichtenfolge (30) auf der Aufwachsoberfläche (10), wobei das Aufwachsen selektiv auf einer Anwachsfläche (13) des Aufwachssubstrats (10) beginnt, und wobei die Anwachsfläche (13) kleiner als 40 % der Aufwachsoberfläche (10) ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Anwachsfläche (13) kleiner als 25 % der Aufwachsoberfläche (10) ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anwachsfläche (13) kleiner als 5 % der Aufwachsoberfläche (10) ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anwachsfläche (13) die ebene Fläche (11) oder ein Teil der ebenen Fläche (11) ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anwachsfläche (13) kleiner als die ebene Fläche (11) ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf einen Teil der ebenen Fläche (11) zur Verringerung der Anwachsfläche (13) eine Schicht (14) aus einem Material aufgebracht wird, auf dem ein Nitrid-Halbleitermaterial nicht oder nur schlecht anwachsen kann.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Material ein Siliziumoxid, ein Siliziumnitrid oder ein Titannitrid aufweist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anwachsfläche (13) durch eine Vielzahl von nicht miteinander verbundenen Bereichen der ebenen Fläche (11) gebildet ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die nicht miteinander verbundenen Bereiche der ebenen Fläche (11) an die dreidimensionalen Strukturen (12) angrenzen.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 unter Rückbezug auf Anspruch 6 oder 7, wobei die nicht miteinander verbundenen Bereiche der ebenen Fläche (11) Öffnungen in der Schicht (14) aus dem Material sind, auf dem ein Nitrid-Halbleitermaterial nicht oder nur schlecht anwachsen kann.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf zumindest auf einen Teil der ebenen Fläche (11) eine Nukleationsschicht (15) aufgebracht wird, welche das Anwachsen eines Nitrid-Halbleitermaterials fördert.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Nukleationsschicht (15) ein sauerstoffhaltiges Aluminiumnitrid aufweist.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufwachssubstrat (1) Saphir aufweist.
  14. Nitrid-Halbleiterbauelement (100), umfassend – ein Aufwachssubstrat (1) mit einer Aufwachsoberfläche (10), die durch eine ebene Fläche (11) mit einer Vielzahl dreidimensional ausgeformter Oberflächenstrukturen (12) auf der ebenen Fläche (11) gebildet wird, und – eine Nitrid-basierte Halbleiterschichtenfolge (30), die auf der Aufwachsoberfläche (10) angeordnet ist, wobei – die Nitrid-basierte Halbleiterschichtenfolge (30) an einer Grenzfläche zum Aufwachssubstrat (10) auf einer Anwachsfläche (13) angeordnete Anwachsbereiche (20) aufweist, – die Anwachsbereiche (20) eine größere Defektdichte als die übrige Halbleiterschichtenfolge (30) aufweisen, und – die Anwachsfläche (13) kleiner als 45 % der Aufwachsoberfläche (10) ist.
  15. Nitrid-Halbleiterbauelement (100) nach Anspruch 14, wobei – das Nitrid-Halbleiterbauelement (100) ein strahlungsemittierendes optoelektronisches Bauelement ist, und – das Aufwachssubstrat (1) transparent ist.
  16. Nitrid-Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, wobei das Aufwachssubstrat (1) ein Saphirsubstrat ist.
  17. Nitrid-Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei an einer von der Halbleiterschichtenfolge (30) abgewandten Rückseite des Aufwachsubstrats (1) eine Spiegelschicht (8) angeordnet ist.
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