DE102016114250A1

DE102016114250A1 - Verfahren zur Herstellung eines mit einem Halbleitermaterial beschichteten Saphirsubstrats, nach dem Verfahren erhältliches beschichtetes Saphirsubstrat sowie Leuchtdiode mit einem solchen Substrat

Info

Publication number: DE102016114250A1
Application number: DE102016114250.6A
Authority: DE
Inventors: Markus Weyers; Sylvia Hagedorn
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Ferdinand Braun Institut GgmbH Leibniz Institut fuer Hoechstfrequenztechnik
Priority date: 2016-08-02
Filing date: 2016-08-02
Publication date: 2018-02-08
Anticipated expiration: 2036-08-03
Also published as: DE102016114250B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem Halbleitermaterial beschichteten Saphirsubstrats, ein nach dem Verfahren erhältliches beschichtetes Saphirsubstrat sowie eine Leuchtdiode, die ein solches Substrat enthält. Das Verfahren umfasst die Schritte: a) Bereitstellen eines Saphirsubstrats; b) Abscheiden von Schichten aus amorphem AlN, Al2O3 oder einem Gemisch derselben auf dem Saphirsubstrat mittels Atomlagenabscheidung (ALD); c) Thermisch induziertes Kristallisieren der abgeschiedenen Schichten; und d) Abscheiden eines Halbleitermaterials.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mit einem Halbleitermaterial beschichteten Saphirsubstrats, ein nach dem Verfahren erhältliches beschichtetes Saphirsubstrat sowie eine Leuchtdiode, die ein solches Substrat enthält.
Technologischer Hintergrund
Leuchtdioden (LED) sind lichtemittierende Halbleiter-Bauelemente, deren elektrische Eigenschaften einer Diode entsprechen. Fließt durch die Diode elektrischer Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung oder auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial und der Dotierung abhängigen Wellenlänge ab. Durch die gezielte Auswahl des Halbleitermaterials und der Dotierung können die Eigenschaften des erzeugten Lichtes, insbesondere der Spektralbereich und die Effizienz, beeinflusst werden. Für ultraviolettes Licht emittierende LED (kurz UV-LED) werden beispielsweise als Halbleitermaterialien Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) und Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN) verwendet. Die Entwicklung von UV-LED ist von besonderer Bedeutung, da sie Anwendungen in vielen Bereichen ermöglichen. Dazu zählen beispielsweise die Entkeimung von Wasser, Desinfektion von Lebensmitteln, therapeutische Anwendungen, wie Lichttherapie, analytische Verfahren, wie Fluoreszenzmikroskopie oder der Einsatz als Strahlquellen für die optische Freiraumkommunikation.
Bei der Herstellung der UV-LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt. Epitaxie ist eine Form des Kristallwachstums, bei der mindestens eine kristallographische Orientierung des wachsenden Kristalls einer Orientierung des kristallinen Substrates entspricht. Aus verschiedenen Gründen wird in der Praxis zur Herstellung von UV-LED auf Fremdsubstrate ausgewichen, d.h. auf Substrate, die nicht auf GaN oder AlN basieren. Hauptsächlich finden dabei Saphir und SiC Verwendung. Im Falle einer solchen Heteroepitaxie stellt das strukturierte Wachstum eine Möglichkeit dar, die Nachteile der verwendeten Fremdsubstrate auszugleichen, indem es einerseits die Kristallgitter von Substrat und Epitaxieschicht teilweise entkoppelt und andererseits die Ausbreitung von an der Grenzfläche entstandenen Versetzungen verhindern kann. Für das strukturierte Wachstum stehen dabei eine Reihe alternativer Verfahren zur Verfügung. Für AlN, AlGaN, AlGaInN und GaN umfasst dies insbesondere das epitaktische laterale Überwachsen (epitaxial lateral overgrowth ELO). Bekannte ELO-Prozesse sehen dabei als Zwischenschritt die Abscheidung einer dünnen epitaktischen Schicht aus beispielsweise GaN auf dem Fremdsubstrat sowie eine prozesstechnologische Strukturierung dessen vor. Es wäre jedoch schon aus ökonomischer Sicht vorteilhaft, wenn auf einen solchen Epitaxieschritt und Strukturierungsprozess verzichtet werden könnte.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine oder mehrere Nachteile des Standes der Technik lassen sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mit einem Halbleitermaterial beschichteten Saphirsubstrats beheben oder zumindest mindern. Dazu umfasst das Verfahren die Schritte:

a) Bereitstellen eines Saphirsubstrats;
b) Abscheiden von Schichten aus amorphem AlN, Al₂O₃ oder einem Gemisch derselben auf dem Saphirsubstrat mittels Atomlagenabscheidung (ALD);
c) Thermisch induziertes Kristallisieren der abgeschiedenen Schichten; und
d) Abscheiden eines Halbleitermaterials.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Konditionierung von Saphiroberflächen für das nachfolgende Wachstum von Halbleitermaterialien, wie insbesondere AIN, durch Atomlagenabscheidung (ALD) erfolgen kann. Dazu wird amorphes AlN und/oder Al₂O₃ direkt auf dem Substrat abgeschieden. Das Material wird dabei schichtweise aufgetragen, wobei die einzelnen Schichten aus reinem AlN beziehungsweise Al₂O₃ oder einem Gemisch derselben, das heißt (AlN)_x(Al₂O₃)_1-x (0 < x < 1), bestehen können. Durch anschließendes Tempern erfolgt eine Umwandlung der abgeschiedenen amorphen Schichten in kristallines Material mit epitaktischen Bezug zum Substrat sowie eine damit einhergehende Eigenstrukturierung des Materials im Nanometerbereich. Mit anderen Worten, die Verwendung eines ALD Materials ermöglicht eine definierte Konditionierung der Grenzfläche Substrat/Halbleitermaterial, dessen Abscheidung nachfolgend mittels Gasphasenepitaxie (VPE) erfolgt. Dadurch können einheitliche Nukleationsbedingungen und das Wachstum von ausschließlich Al-polarem Material (Vermeidung einer Zentrumaufrauhung) in der VPE erreicht werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Eigenstrukturierung beim Tempern Hohlräume entstehen, die beim Überwachsen im nachfolgenden VPE-Abscheideprozess erhalten bleiben.
Gemäß einer bevorzugten Variante des Verfahrens werden im Schritt b) alternierende Schichten aus amorphem AlN und Al₂O₃ auf dem Saphirsubstrat abgeschieden. Es hat sich gezeigt, dass das abwechselnde Abscheiden von amorphen Schichten aus AlN bzw. Al₂O₃ bei der nachfolgenden thermisch induzierten Kristallisation besonders zuverlässig zur gewünschten Eigenstrukturierung des Materials führt, wobei die Oberflächeneigenschaften durch die gesamte Oberfläche des Saphirsubstrates nur geringfügig divertieren.
Insbesondere ist bevorzugt, wenn eine erste Schicht aus amorphem Al₂O₃ abgeschieden wird. Es hat sich gezeigt, dass ein direktes Abscheiden von Al₂O₃ auf dem Saphirsubstrat für die Konditionierung der Grenzfläche von Vorteil ist.
Nach einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass als letzte Schicht eine Schicht aus amorphem AlN abgeschieden wird. Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens hat insbesondere den Vorteil, dass die konditionierten, ALD-beschichteten Substrate anschließend mittels Lithographie oder Plasmaätzen so strukturiert werden können, dass an gewünschten Oberflächenbereichen bereits eine AlN-Keimschicht vorhanden ist, die beispielsweise für ein sich anschließendes laterales Überwachsen (ELO VPE) genutzt werden kann. Dementsprechend ist vor der prozesstechnologischen Strukturierung kein separater VPE-Schritt mehr nötig.
Vorzugsweise werden im Schritt b) 2 bis 50 Schichten, insbesondere 10 bis 30 Schichten abgeschieden. Eine Schichtdicke von einzelnen Schichten aus amorphem Al₂O₃ liegt insbesondere im Bereich von 0,2 bis 25 nm. Bevorzugt ist ferner, dass eine Schichtdicke von einzelnen Schichten aus amorphem AlN im Bereich von 1,3 bis 20 nm liegt. Eine kumulierte Schichtdicke aller abgeschiedenen amorphen Schichten liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 200 nm, insbesondere im Bereich von 10 bis 100 nm.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn im Schritt d) AlN, AlGaN, AlGaInN oder GaN als Halbleitermaterial abgeschieden wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich demnach besonders für die Abscheidung von nitridischen Halbleitermaterialien auf Basis von Aluminium, Gallium und Indium. Auf der in definierter Weise durch das ALD-Material konditionierten Substratoberfläche kann beispielsweise AlN mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) abgeschieden werden. Auf diese Weise kann insbesondere Inversionsdomänen und einem veränderlichen Nukleationsverhalten entgegengewirkt werden. Die mit dem ALD-Material entstehende Aufrauhung der Grenzfläche Saphir/Halbleitermaterial im Nanometerbereich trägt zur Versetzungsreduktion bei und vermindert bei der Verwendung als LED-Substrat insbesondere die Totalreflektion an der Grenzfläche.
Das Halbleitermaterial im Schritt d) wird vorzugsweise mittels Gasphasenepitaxie (VPE) abgeschieden. Ferner ist bevorzugt, wenn das Abscheiden des Halbleitermaterials im Schritt d) durch epitaktisch laterales Überwachsen (ELO) erfolgt. Durch die Eigenstrukturierung beim thermisch induzierten Kristallisieren können beim Überwachsen des ALD-Materials mittels VPE Hohlräume entstehen, die ein laterales Überwachsen ermöglichen und somit zu einer Versetzungsreduktion führen. Weiterhin ist dadurch ein Übergang zwischen abgeschiedenen Halbleitermaterial und Substrat geschwächt und so ein Ablösen des Substrates vom Halbleitermaterial erleichtert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein nach dem Verfahren hergestelltes oder herstellbares beschichtetes Saphirsubstrat. Das über das Verfahren erhältliche beschichtete Saphirsubstrat weist eine wenige Nanometer breite Grenzschicht zwischen dem eigentlichen Saphirsubstrat und einer aufgebrachten Schicht aus einem Halbleitermaterial auf. Die Grenzschicht besteht aus dem abgeschiedenen und kristallisierten ALD-Material. In Folge des Fertigungsprozesses weist die Grenzschicht eine gegenüber dem darunter liegendem Saphirsubstrat erhöhte Porosität und Rauigkeit auf. Beim Überschichten mit dem Halbleitermaterial können zusätzliche Hohlräume entstehen, die ein weiteres Charakteristikum des beschichteten Saphirsubstrats darstellen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass beim Kristallisieren der ALD-Schichten auch Hohlräume in der ALD-Schicht selbst entstehen können.
Schließlich stellt eine Leuchtdiode (LED) mit einem Saphirsubstrat der vorab beschriebenen Ausführung einen weiteren Aspekt der Erfindung dar. Die Konditionierung der Saphiroberfläche führt unter anderem zu einer Erhöhung der Rauigkeit der Grenzfläche hin zum Halbleitermaterial, woraus wiederrum eine verringerte Totalreflektion bei der Lichtauskopplung aus LED-Strukturen resultiert. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Leuchtdioden weisen zwischen Saphirsubstrat und Halbleitermaterial charakteristische Hohlräume auf, die beim lateralen Überwachsen mittels Gasphasenepitaxie (VPE) entstehen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich der folgenden Beschreibung entnehmen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und dazugehöriger Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt schematisiert einzelne Prozessschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mit einem Halbleitermaterial beschichteten Saphirsubstrats.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtstapels aus alternierenden mittels ALD abgeschiedenen Einzelschichten (schematische Darstellung).
3 zeigt 2⊖/ω-Messungen zur Identifikation von Netzebenen parallel zur Probenoberfläche.
4 zeigt eine Aufnahme der Oberfläche einer abgeschiedenen Halbleiterschicht aus AlN mittels Rasterkraftmikroskop (AFM).
5 zeigt eine Aufnahme eines Querschnitts durch die Oberfläche einer abgeschiedenen Halbleiterschicht aus AlN, Grenzfläche und Saphirsubstrat mittels Rasterelektronenmikroskop (REM).
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der 1 ist stark schematisiert der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mit einem Halbleitermaterial beschichteten Saphirsubstrats 10 zu entnehmen. Das in einer geeigneten Beschichtungsanlage bereitgestellte Saphirsubstrat 10 wird mittels Atomlagenabscheidung (ALD) mit einem amorphen Material aus AlN und/oder Al₂O₃ und/oder (AlN)_x(Al₂O₃)_1-x bedeckt. Die entstehende amorphe Schicht 12 weist eine Schichtdicke im Nanometerbereich auf (1(a)). Das abgeschiedene ALD-Material wird anschließend durch Tempern kristallisiert. Dabei hat es sich gezeigt, dass der thermische Behandlungsschritt zu einer Eigenstrukturierung führt, die sich durch eine signifikante Erhöhung der Oberflächenrauigkeit charakterisieren lässt. Der 1(b) ist stark schematisiert eine solche Oberflächenstruktur mit dem getemperten ALD-Material, im Weiteren als Grenzschicht 14 bezeichnet, zu entnehmen. Je nach Temperbedingungen können auch Hohlräume im ALD-Material entstehen (1(b*)). Diese Hohlräume konnten mittels REM nachgewiesen werden. Das getemperte ALD-Material weist einen epitaktischen Bezug zum Substrat 10 auf.
Wird nun die Grenzschicht 14 mittels Gasphasenepitaxie (VPE) mit einer Schicht 16 aus einem Halbleitermaterial überschichtet, so entstehen Hohlräume 18 an der Grenzfläche 14 zwischen dem Substrat 10 und der Halbleiterschicht 16 (siehe 1(c) und 1(c*)).
Gegebenenfalls kann mittels Lithographie und Plasmaätzen eine weitere Strukturierung der gemäß 1(b) konditionierten Substratoberfläche erfolgen. Beispielsweise können Gräben 20 auf der Oberfläche erzeugt werden. Alternativ oder ergänzend kann, sofern eine Oberseite der Grenzschicht 14 aus AlN besteht, durch die genannten Maßnahmen auch eine AlN-Keimschicht für das nachfolgende Aufwachsen der Halbleitermaterialschicht 16 erzeugt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Auf c-planar orientiertem epi-ready Saphir mit einem Fehlschnitt von 0,2° Richtung m wurden AlN und Al₂O₃-Schichten mittels plasmaunterstützter ALD (PEALD) abgeschieden. Die PEALD erfolgte bei einem Prozessdruck von 20 hPa. Als Ausgangsstoffe wurden Trimethylaluminium (TMAl) und NH₃ (für die AlN-Abscheidung) beziehungsweise O₂ (für die Al₂O₃-Abscheidung), sowie N₂ als Spülgas verwendet. Bei 350°C wurde ein Multilayerstack mit alternierender Schichtabfolge entsprechend 2 mit jeweils 20 Wachstumszyklen Al₂O₃ und jeweils 20 Zyklen AlN abgeschieden. Die Schichtdicken wurden mit Hilfe eines spektroskopischen Ellipsometers bestimmt. Für die erste Al₂O₃-Schicht ergibt sich eine Schichtdicke von 0,9 nm, die folgenden Al₂O₃-Schichten sind 1,0 nm dick. Die Dicke der AlN-Schichten beträgt jeweils 3,7 nm.
Die Probe wurde vor dem Tempern mittels Röntgenbeugung (XRD) hinsichtlich der Kristallinität des Materials untersucht. Es wurden keine AlN-Peaks unter symmetrischen 2⊖/ω-Messbedingungen (3, Messung (a)) gefunden. Die Probe wurde bei einer Prozesstemperatur (T_Proc) von 1380°C unter H₂-Umgebung und einem Druck von 150 hPa in einer Anlage zur metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) für 1,5 min getempert. 2⊖/ω-Messungen mit symmetrischer XRD-Messanordnung zeigen einen deutlichen 002 Reflex des AlN (3, Messung (b)) und somit, dass durch das Tempern AlN mit c-planarer Orientierung ausgebildet wird. Durch das Tempern erfolgt eine Umwandlung des amorphen PEALD-Materials in kristallines Material.
Die 1,5 min getemperte Multilayerstack-Probe wurde mit 720 nm AlN überwachsen. Dazu wurde zunächst bei 980°C eine 50 nm dicke Standard-Nukleationsschicht gewachsen und im Anschluss daran bei 1200°C weitere 670 nm AlN. 4 zeigt eine Rasterkraftmikroskop-Aufnahme (AFM) der glatten AlN-Oberfläche, mit einem rms-Wert von 0,35 nm. Die Halbwertsbreite der 002 und 302 XRD ω-Rockingkurven betragen 979‘‘ und 3607‘‘. Der Probenquerschnitt im REM (5) zeigt deutlich die Ausbildung von durchschnittlich 35 nm hohen Hohlräumen an der Grenzfläche zwischen AlN und Saphir. Zusammen mit den aus den Röntgenmessungen gewonnen Informationen lässt dies auf die Ausbildung einer löchrigen c-planar orientierten AlN-Schicht durch das Tempern schließen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mit einem Halbleitermaterial beschichteten Saphirsubstrats, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Saphirsubstrats; b) Abscheiden von Schichten aus amorphem AlN, Al₂O₃ oder einem Gemisch derselben auf dem Saphirsubstrat mittels Atomlagenabscheidung (ALD); c) Thermisch induziertes Kristallisieren der abgeschiedenen Schichten; und d) Abscheiden eines Halbleitermaterials.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt b) alternierende Schichten aus amorphem AlN und Al₂O₃ auf dem Saphirsubstrat abgeschieden werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine erste Schicht aus amorphem Al₂O₃ abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als letzte Schicht eine Schicht aus amorphem AlN abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt b) 2 bis 50 Schichten abgeschieden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Schichtdicke von einzelnen Schichten aus amorphem Al₂O₃ im Bereich von 0,2 bis 25 nm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Schichtdicke von einzelnen Schichten aus amorphem AlN im Bereich von 1,3 bis 20 nm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine kumulierte Schichtdicke aller abgeschiedenen amorphen Schichten im Bereich von 1 bis 200 nm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Schritt d) AlN, AlGaN, AlGaInN oder GaN als Halbleitermaterial abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Halbleitermaterial im Schritt d) mittels Gasphasenepitaxie (VPE) abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Abscheiden des Halbleitermaterials im Schritt d) durch epitaktisch laterales Überwachsen (ELO) erfolgt.
Saphirsubstrat, hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1.
Leuchtdiode (LED) mit einem Saphirsubstrat gemäß Anspruch 12.