DE112010003358T5

DE112010003358T5 - Verfahren und strukturen zum schnellen abscheiden von ultradünnen epitaktischen gallium- und stickstoffhaltigen strukturen für bauelemente

Info

Publication number: DE112010003358T5
Application number: DE112010003358T
Authority: DE
Inventors: James Raring; Christiane Poblenz; Arpan Chakraborty
Original assignee: Soraa Inc
Current assignee: Soraa Inc
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-08-02
Also published as: WO2011022699A1; JP2013502728A; CN102576652A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum schnellen Abscheiden von gallium- und stickstoffhaltigem Material beschrieben. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines gallium- und stickstoffhaltigen Grundmaterialsubstrats. Ein erstes epitaktisches Material, welches eine erste Dicke aufweist, wird auf dem Substrat ausgebildet, bevorzugt mittels eines pseudomorphen Prozesses. Das Verfahren bildet zur Bildung eines Schichtaufbaus auf dem ersten epitaktischen Material auch ein zweites epitaktisches Material aus. Der Schichtaufbau besitzt eine Gesamtdicke von weniger als etwa 2 Mikrometer.

Description

BEZUGNAHME AUF ZUGEHÖRIGE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung nimmt die Priorität der am 21. August 2009 eingereichten U.S. Provisional-Anmeldung Nr. 61/235,989 (Aktenzeichen des Anwalts Nr. 027364-007500US) in Anspruch, welche allgemein übertragen wurde, und welche hiermit in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke durch Bezugnahme aufgenommen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Beleuchtungstechniken. Ausführungsformen der Erfindung umfassen insbesondere Verfahren zum schnellen Abscheiden von epitaktischen Strukturen unter Verwendung einer Technologie zur Metall-Organischen Gasphasenepitaxie (”MOCVD”) auf gallium- und stickstoffhaltigem Grundmaterial. Die Erfindung kann in Anwendungen wie Weißlichtbeleuchtung, Mehrfarbenbeleuchtung, Beleuchtung von Flachbildschirmen und anderen optoelektronischen Bauelementen, sowie für andere Verwendungen eingesetzt werden.
Im ausgehenden 19. Jahrhundert hat Thomas Edison die Glühbirne erfunden. Die herkömmliche Glühbirne, die allgemein die ”Edison-Birne” genannt wird, wurde mehr als 100 Jahre lang verwendet. Die herkömmliche Glühbirne verwendet einen Wolframfaden, der in einem am Sockel abgedichteten Glaskolben eingeschlossen ist, wobei der Sockel in eine Fassung geschraubt wird. Die Fassung wird mit einer Wechselstrom- oder Gleichstromquelle verbunden. Die herkömmliche Glühbirne ist gewöhnlich in Häusern, Gebäuden, Außenbeleuchtungen und anderen Bereichen, welche Licht benötigen, aufzufinden. Leider weist die herkömmliche Edison-Glühbirne Nachteile auf. Da ist die hohe Wärmeabfuhr der herkömmlichen Glühbirne. Mehr als 90% der bei einer herkömmlichen Glühbirne verwendeten Energie wird als thermische Energie abgeführt. Zudem versagt die herkömmliche Glühbirne oft infolge der thermischen Ausdehnung und Kontraktion des Fadenelementes.
Einige der Nachteile der herkömmlichen Glühbirne werden durch die Leuchtstofflampe überwunden. Leuchtstofflampen verwenden eine mit einem Halogengas gefüllte Röhrenstruktur. Ein in der Röhre angeordnetes Elektrodenpaar ist über ein Vorschaltgerät mit einer Wechselspannungsquelle verbunden. Bei Anregung des Gases kommt es zu lichtemittierenden Entladungen. Oft ist die Röhre mit Leuchtstoffmaterialien beschichtet. Viele Gebäude verwenden Leuchtstofflampen und kürzlich wurden Leuchtstofflampen an Sockel angepasst, die in eine standardmäßige Glühbirnenfassung geschraubt werden können.
Des Weiteren sind Festkörper-Beleuchtungstechniken bekannt. Fest körperbeleuchtungen sind typischerweise auf Halbleitermaterialien zur Herstellung lichtemittierender Dioden (LEDs) angewiesen. Als Erstes wurden rote LEDs vorgestellt und in den Handel eingeführt. Rote LEDs verwenden Aluminium-Indium-Gallium-Phosphid (AlInGaP) als Halbleitermaterialien. Unlängst hat Shuji Nakamura der Verwendung von InGaN-Materialien für die Herstellung von LEDs mit im blauen Farbspektrum emittierenden Licht den Weg bereitet. Die blauen LEDs führten zu Innovationen wie beispielsweise dem BlueRay DVD-Player, weiße Festkörperbeleuchtung und andere Entwicklungen. Andere farbige LEDs wurden ebenfalls vorgeschlagen, wobei jedoch bei der Festkörperbeleuchtung immer noch Einschränkungen existieren. Weitere Einzelheiten solcher Einschränkungen werden in der gesamten vorliegenden Beschreibung und insbesondere nachstehend beschrieben.
Aus dem Obenstehenden wird ersichtlich, dass ein großer Bedarf an Techniken zur Verbesserung von optischen Bauelementen besteht.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft generell Beleuchtungstechniken. Insbesondere umfassen Ausführungsformen der Erfindung Techniken zum schnellen Abscheiden von epitaktischen Strukturen unter Verwendung einer Technologie zur Metall-Organischen chemischen Gasphasenabscheidung (”MOCVD”) auf gallium- und stickstoffhaltigen Materialien. Die Erfindung kann bei Anwendungen wie beispielsweise Weißlichtbeleuchtung, Mehrfachbeleuchtung, Beleuchtung von Flachbildschirmen und anderen optoelektronischen Bauelementen sowie anderen Verwendungen eingesetzt werden.
Bei einer bestimmten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum schnellen Abscheiden von gallium- und stickstoffhaltigem Material bereit. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats, das einen Oberflächenbereich aufweist. Das Verfahren bildet auf der Oberfläche des gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats ein erstes epitaktisches Material mit einer ersten Dicke aus. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das erste epitaktische Material pseudomorph ausgebildet. Das Verfahren bildet auf dem ersten epitaktischen Material ferner ein zweites epitaktisches Material aus, um einen Schichtaufbau zu bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform bilden die zweiten epitaktischen Materialien einen aktiven Bereich, beispielsweise einen Übergang aus. Vorzugsweise weist der Schichtaufbau eine Gesamtdicke von weniger als etwa 2 Mikrometer auf und kennzeichnet zumindest einen substantiellen Teil eines epitaktischen Bereichs eines optischen oder elektronischen Bauelements. Die Begriffe ”erste” und ”zweite” implizieren so wie sie hier verwendet werden, keine Rang- oder Reihenfolge. Bei einer bestimmten Ausführungsform bedeutet ”pseudomorph” in der Regel einen Kristallgitteranpassungsprozess, bei dem das Kristallgitter eines ersten epitaktischen Materials an das Kristallgitter des gallium- und stickstoffhaltigen Grundmaterialsubstrats angepasst ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzen das epitaktisch ausgebildete Galliumnitridmaterial und das gallium- und stickstoffhaltige Grundsubstrat eine Grenzschicht, an der die Kristallstruktur im Wesentlichen oder vollständig angepasst ist.
Bei einer bestimmten Ausführungsform ist das erste epitaktische Material dünner als 1 Mikrometer oder dünner als 100 nm. Das epitaktische Material ist weniger als 1 Mikrometer oder weniger als 10 nm dick. Das erste epitaktische Material ist durch eine Stapelfehlerdichte von 1 × 10⁴ cm^–1 oder weniger gekennzeichnet und kann Schraubenversetzungen von 1 × 10⁸ cm^–2 oder weniger aufweisen. Das epitaktische Material ist durch eine von einem ersten Bereich zu einem zweiten Bereich im Wesentlichen gleichförmige Defektdichte gekennzeichnet. Bevorzugt weisen die erste epitaktische Schicht und der Oberflächenbereich eine Grenzschicht auf, die im Wesentlichen frei von Nukleationsschichten, z. B. GaN oder AlN oder AlGaN, oder anderem gallium- und stickstoffhaltigen Material ist.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch eine schnelle Abscheidezeit aus. Bei einer bestimmten Ausführungsform beträgt die Gesamtabscheidezeit für die Ausbildung eines gallium- und stickstoffhaltigen epitaktischen Materials weniger als 1 Stunde, häufig weniger als 30 Minuten; sie kann aber auch weniger als 15 Minuten betragen. Bei einer bestimmten Ausführungsform weist das Verfahren eine Kammerzeit auf, die durch eine Gesamtabscheidezeit und eine Temperaturrampenzeit gekennzeichnet ist. Die Kammerzeit kann weniger als 1 Stunde betragen; kann aber auch weniger als 30 Minuten betragen. Bei einer bestimmten Ausführungsform weist das Verfahren eine Zykluszeit auf, die eine Kammerzeit sowie eine Beschickungs- und Entnahmezeit von weniger als 2 Stunden umfasst, aber auch weniger als 1 Stunde oder sogar weniger als 30 Minuten betragen kann. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist das gallium- und stickstoffhaltige Material durch eine Abscheiderate von 4 Mikrometern pro Stunde oder mehr gekennzeichnet, und die Abscheidezeit für das n-leitende gallium- und stickstoffhaltige Material beträgt 6 Mikrometer pro Stunde oder mehr. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird das p-leitende gallium- und stickstoffhaltige Material mit 2 Mikrometern pro Stunde oder mehr abgeschieden. Die höheren Abscheideraten werden vorzugsweise mit einem Atmosphärendruck-MOCVD-Reaktor realisiert, wobei der Druck auch geringfügig oberhalb oder unterhalb des Atmosphärendrucks liegen kann. Die Abscheidetemperatur liegt für n-leitendes gallium- und stickstoffhaltiges Material (beispielsweise unter Einschluss von Siliciumdotierstoff) in einem Bereich von etwa 950°C bis 1200°C oder darüber oder für p-leitendes gallium- und stickstoffhaltiges Material (beispielsweise unter Einschluss von Magnesiumdotierstoff) im Bereich von 950°C bis etwa 1025°C. Anzumerken ist, dass herkömmliche MOCVD-Reaktoren Temperaturvorrichtungen mit Thermoelementen aufweisen, die mit einem Suszeptor verbunden sind, der das Werkstück und/oder Substrat aufnimmt, wobei Abwandlungen hiervon möglich sind.
Bei einer anderen Ausführungsform kann das epitaktische Material bzw. können die epitaktischen Materialien in einem Reaktor ausgebildet werden, der in einem automatischen Abscheidevorgang mehrere Wafer, beispielsweise in Autokassetten, handhaben kann. Bei so einer Anordnung kann das Be- und Entladen der Abscheidekammer mit Wafern automatisch über eine Schleusenkammer erfolgen, ohne Unterbrechung oder Abwarten einer Waferübergabe zwischen Schleusenkammer und Labor oder Produktionsstätte. Eine Anordnung verwendet Greifarme, um die Wafer zwischen der Schleusenkammer und der Reaktionskammer zu transferieren. Bei einer solchen Anordnung werden die Wafer auf einem Suszeptor oder auf einer Ablage in die Abscheidekammer hinein und aus dieser heraus transportiert, und auf diesem die epitaktische Abscheidung wird darauf an dem Wafer durchgeführt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform nimmt der Suszeptor oder die Ablage mehrere Wafer auf, so dass das epitaktische Material bzw. die Materialien in einer Reaktionskammer auf mehreren Wafern gleichzeitig abgeschieden werden kann. Sowie hier verwendet, bezeichnet der Begriff Autokassette generell eine Kassette mit einer Reihe von Ablagen, von denen jede einen Substratwafer oder ein Werkstück aufweist, die ein automatisches Beladen eines jeden Werkstücks ermöglichen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die mehrere Substrate oder Werkstücke umfassende Kassette in einer Kammer bereitgehalten, welche an die MOCVD-Kammer anschließt, und hierdurch die Handhabungszeit und dergleichen reduziert.
Die Erfindung ermöglicht ein Verfahren und ein System zur Verwendung einer Multiwafer-Autokassette und ein schnelles Abscheiden, z. B. ein ultraschnelles Abscheiden. Bei einer bestimmten Ausführungsform können das Verfahren und das System für ein Abscheiden unter Atmosphärendruck ausgebildet sein, da dies schnellere Abscheideraten und damit kürzere Abscheidezeiten ermöglicht, was wünschenswert ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform können das vorliegende System und Verfahren unter Verwendung von Multiwafer-Kassetten für größere Substrate ausgebildet sein, wie beispielsweise 4 Zoll, 6 Zoll oder größer. Bei einer bevorzugten Ausführungsform führt das Verfahren dazu, dass Verschmutzungen von der Abscheidegrenzschicht weg migrieren. Die Erfindung kann auch für eine Vielzahl von optischen Bauelementen, welche Emissionsbereiche von blau, violett, grün, gelb und weitere aufweisen, verwendet werden. Selbstverständlich sind andere Variationen, Abwandlungen und Alternativen möglich.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum schnellen Abscheiden von gallium- und stickstoffhaltigem Material bereit. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen von gallium- und stickstoffhaltigem Grundsubstrat, welches einen Oberflächenbereich aufweist, und ein Ausbilden eines ersten epitaktischen Materials, welches eine erste Dicke bei einer Abscheiderate von wenigstens 4 nm pro Stunde aufweist und auf den Oberflächenbereich des gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats aufliegt. Das erste epitaktische Material ist pseudomorph ausgebildet und liegt auf dem Oberflächenbereich des gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats auf. Das Verfahren umfasst ein Ausbilden von einem oder mehreren zweiten epitaktischen Materialien, welche auf dem ersten epitaktischen Material aufliegen, und zur Bildung eines Schichtaufbaus ausgebildet sind.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann das epitaktische Material bzw. die epitaktischen Materialien in einer einzigen oder in mehreren Kammern gebildet werden. Bei einer bestimmten Ausführungsform können eines oder alle der epitaktischen Materialien in einer einzigen Kammer und/oder in mehreren Kammern oder jeder Kombination davon gebildet werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das epitaktische Material bzw. die Materialien bei einer darin gleichmäßigen Temperaturverteilung gebildet. Selbstverständlich kann es andere Variationen, Modifikationen oder Alternativen geben.
Das Verfahren stellt glattes epitaktisches Material bereit. Wird beispielsweise n-leitendes gallium- und stickstoffhaltiges Material verwendet, so ist die Oberflächenrauheit für eine rechteckige Fläche von 5 Mikrometer × 5 Mikrometer durch etwa 1 nm (quadratischer Mittelwert) oder weniger gekennzeichnet. Bei Verwendung von p-leitendem gallium- und stickstoffhaltigem Material ist die Oberflächenrauheit für eine rechteckige Fläche von 5 Mikrometer × 5 Mikrometer beispielsweise gekennzeichnet durch etwa 1 nm (quadratischer Mittelwert) oder weniger.
Ein besseres Verständnis der Beschaffenheit sowie der Vorteile der vorliegenden Erfindung kann unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Abschnitte der Beschreibung und die beigefügten Figuren erreicht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine vereinfachte Darstellung eines herkömmlichen optischen Bauelements, bei dem dicke epitaktische Schichten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
2 ist eine vereinfachte Darstellung eines optischen Bauelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine vereinfachte Abbildung eines Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine vereinfachte graphische Darstellung des Temperaturverlaufs über der Abscheidezeit für ein Herstellungsverfahren für optische Bauelemente gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine vereinfachtes graphische Darstellung, welche herkömmliche optische Bauelemente auf Saphir mit optischen Bauelementen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vergleicht.
6 ist eine vereinfachte Abbildung einer Abscheidemethode für ein optisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine vereinfachte Abbildung eines Abscheideverfahrens für eine gleichrichtende pn-Diode gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine vereinfachte Abbildung eines Abscheideverfahres für einen Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit oder einen Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wir haben festgestellt, dass herkömmliche auf GaN basierende lichtemittierende Dioden (LED), welche im ultravioletten und im sichtbaren Bereich emittieren, auf einer heteroepitaktischen Abscheidung basieren, bei der die Abscheidung auf einem von GaN verschiedenen Substrat wie beispielsweise Saphir, Siliciumcarbid oder Silicium initiiert wird. Dies beruht auf der beschränkten Verfügbarkeit und den hohen Kosten für freistehende GaN-Substrate, was verhindert hat, sie bei der Herstellung von LEDs zu gebrauchen. Seit ein paar Jahren hat das Gebiet der GaN-Vollmaterial-Technik rasante Fortschritte erfahren, die für eine Einführung in die Herstellungstechnologien von LEDs in großem Maßstab vielversprechend sind. Eine derartige Verlagerung der Technologie wird die Leistungsfähigkeit von LEDs und deren Herstellung befördern.
Bezugnehmend auf 1 erfordert das Abscheiden auf Fremdsubstraten häufig eine Niedertemperatur- oder Hochtemperaturnukleationsschicht an der Grenzschicht des Substrates, Techniken wie beispielsweise eine laterale epitaktische Auflage, um an der GaN/Substrat-Grenzschicht gebildete Fehlanpassungsdefekte abzuschwächen, eine dicke Pufferschicht, die üblicherweise aus n-leitendem GaN besteht, aber auch von anderen, wie beispielsweise In_xAl_yGa_1-x-yN gebildet sein kann, die zwischen dem Substrat und lichtemittierenden aktiven Schichten abgeschieden ist, um nachteilige Effekte der Fehlanpassungsdefekte abzuschwächen, InGaN/GaN- oder AlGaN/GaN- oder AlInGaN/AlInGaN-Übergitter, welche zwischen dem Substrat und den lichtemittierenden aktiven Schichten angeordnet sind, um die Strahlungseffizienz durch eine Spannungsminderung, eine Defektreduktion oder andere Mechanismen zu verbessern, zwischen dem Substrat und den lichtemittierenden aktiven Schichten angeordnete InGaN- oder AlGaN-Pufferschichten, um die Strahlungseffizienz durch eine Spannungsminderung, Defektreduktion oder andere Mechnismen zu verbessern, und dickere p-leitende GaN-Schichten, um elektrostatische Entladungen (ESD) abzuschwächen und den Leckstrom zu reduzieren. Unter Einschluss all dieser Schichten kann das herkömmliche Abscheiden bei LEDs von 4 bis 10 Stunden dauern.
Durch ein Abscheiden von LEDs auf GaN-Grundsubstraten kann auf die Niedertemperaturnukleationsschicht verzichtet werden, wie es beispielsweise in 2 gezeigt ist. Die Abbildung ist lediglich eine Veranschaulichung und ist nicht zur unangemessenen Beschränkung des Schutzbereichs der Ansprüche gedacht. Ein Fachmann wird feststellen, dass Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind. Techniken zur Reduzierung von Defekten wie beispielsweise eine laterale epitaktische Auflage sind nicht notwendig, da es keine Fehlanpassungsversetzungen gibt. Häufig ist es nicht erforderlich, legierte Übergitter oder Legierungsschichten zwischen den Substraten und der aktiven Schicht zu verwenden, um die Strahlungseffizienz zu verbessern. Die das Substrat von den emittierenden Schichten trennende Pufferschicht kann ultradünn von 1 bis 2 Mikrometer bis herab zu 10 bis 20 nm ausgebildet werden oder es kann ganz auf sie verzichtet werden. Mit all diesen reduzierten Einschränkungen hinsichtlich der Schichtdicken und Anforderungen an die Einbeziehung von Schichten kann die gesamte Dicke des epitakischen Schichtaufbaus auf Bruchteile der von herkömmlichen LED-Anordnungen reduziert werden. Die Gesamtdicke der LED kann auf unter 250 nm reduziert werden und theoretisch sogar bis hinunter zu etwa 30 nm. Im Ergebnis kann die Gesamtabscheidezeit für eine LED auf weniger als 1 Stunde und theoretisch bis auf etwa 15 Minuten herab reduziert werden.
Außerdem wird die reduzierte Anzahl an Abscheideschichten in der LED-Anordnung auch weniger Temperaturrampen in der Abscheiderezeptur erforderlich machen, da die vielen verschiedenartigen Abscheideschichten, welche bei herkömmlichen auf Fremdsubstraten abgeschiedenen LEDs erforderlich sind, oft unterschiedliche Abscheidetemperaturen erfordern. Da die Gesamtabscheidezeit herabgesetzt wird, gewinnt der Anteil der Temperaturrampenzeit an der Gesamtzykluszeit an Bedeutung. Die geringere Anzahl an erforderlichen Rampen ist daher bei diesem Verfahren entscheidend für einen hohen Abscheidungsdurchsatz.
Da die gewünschte Kammerzeit für die Wafer drastisch reduziert wird, nimmt beim Versuch, die Gesamtzykluszeit der Abscheidung zu reduzieren, die Bedeutung der zum Beladen und Entladen der Wafer aus der Abscheidungsvorrichtung benötigten Förderzeit der Wafer immer mehr zu. Das heißt, wenn es eine 15- bis 30-minütige Be- und Entladezeit an dem Beginn und Ende eines jeden Abscheidungsvorganges gibt, wird die diesen Schritten zugehörige Gesamtzeit 30 bis 60 Minuten betragen. Bei einer erforderlichen Kammerzeit von weniger als 1 Stunde, würden die Beladungs- und Entladeschritte zwischen 1/3 bis 1/2 der gesamten Zykluszeit einnehmen. Ein wesentlicher Anteil der Beladungs- und Entladezeit wird durch Abpumpen und Belüften einer Charge zwischen der Abscheidungskammer und einer äußeren Umgebung eingenommen. Der Grund hierfür besteht darin, zu verhindern, dass Kontaminierungen einen Weg in die Abscheidekammer finden, und zu vermeiden, dass die Abscheideprodukte aus der Kammer gelangen. Eine Ausbildung der Abscheidevorrichtung zum automatischen Transfer von Wafern in die und aus der Abscheidungskammer heraus zu einer Schleusenkammer, welche mit einer Waferkassette für die Aufnahme von Wafern nach dem Abscheiden ausgerüstet ist, würde eine zweifache Reduzierung der gesamten Abscheidezykluszeit bieten. Als Erstes wären weniger Pump- und Spülzyklen erforderlich, da die Schleuse nur einmal zum Laden und Entladen der gesamten Kassette abgepumpt und gespült werden müsste. Das bedeutet, falls die Kassette 10 Wafer für aufeinanderfolgende Abscheidungen aufnehmen kann, dass es für alle 10 Wafer insgesamt nur einen Abpump- und einen Spülvorgang für die Beladungs- und Entladezyklen anstelle für jeden einzelnen Wafer gibt. Somit würde die gesamte Abpump- und Spülzeit um den Faktor 10 reduziert werden. Die zweite Möglichkeit zur Zeitreduktion wäre die Handhabung von heißen Wafern, welche durch den automatischen Beladungs- und Entlademechanismus ermöglicht wird. Das basiert auf der Tatsache, dass der Transfermechanismus aus Metall oder anderen Materialien gebildet ist, welche höheren Temperaturen widerstehen können, und, da die Wafer nicht der gewöhnlichen Umgebung ausgesetzt werden, solange sie heiß sind, ist somit eine Verschmutzung unwahrscheinlich. Diese und andere Merkmale des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden Anordnung können über die vorliegende Beschreibung festgestellt werden und sind nachfolgend genauer ausgeführt.
Schließlich kann das ultraschnelle Abscheideverfahren mit dem vorstehend beschriebenen Autokassettenmerkmal und der Verwendung eines Multiwerfers-MOCVD-Reaktors, bei dem die gleiche Kammer mit 2 oder mehr Substraten bestückt wird, kombiniert werden. Bei anderen Modifikationen kann die Temperaturzykluszeit und die Stabilisierungszeit herabgesetzt werden, indem der Reaktor mit mehreren Kammern ausgebildet ist, wobei jede Kammer auf einer unterschiedlichen Temperatur gehalten wird. Bei einer solchen Anordnung würde ein Transferarm zum Transport des Wafers von einer Kammer zur anderen verwendet werden.
3 ist eine vereinfachte Darstellung eines Herstellungsverfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Darstellung dient lediglich der Veranschaulichung und soll den Schutzbereich der Ansprüche nicht unnötig einschränken. Ein Fachmann würde feststellen, dass weitere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind.
4 ist eine vereinfachte graphische Darstellung des Temperaturverlaufs über der Abscheidezeit für ein Herstellungsverfahren für ein optisches Bauteil gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Darstellung dient lediglich der Veranschaulichung und soll nicht den Schutzbereich der Ansprüche unnötig einschränken. Ein Fachmann würde feststellen, dass andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind. Wie gezeigt, stellt die vertikale Achse die Temperatur des Thermoelements in Grad Celsius dar, wohingegen die horizontale Achse die Abscheidezeit in Minuten darstellt. Wie gezeigt, veranschaulicht die durch 1', 2', 3' repräsentierte graphische Darstellung ein unpolares LED-Abscheiden auf einem galliumnitridhaltigen Grundmaterial. Das Galliumnitrid-Grundmaterial kann unpolares GaN sein, aber es kann auch anders sein. Wie gezeigt, stellt die durch 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 veranschaulichte graphische Darstellung eine herkömmliche c-Ebenen-Abscheidung für eine LED-Vorrichtung auf Saphirmaterial dar. Die Tabelle vergleicht die Abscheidezeit für die Abscheidung einer herkömmlichen LED-Anordnung auf einem Fremdsubstrat mit einer Abscheidung auf einem Grundsubstrat. Die Bezugnahme 1 ist eine auf einem GaN-Grundmaterial abgeschiedene LED-Anordnung, jedoch unter Verwendung von Temperaturwechseln bei der Abscheidung der aktiven Bereiche. Bezugnnahme 2 ist eine LED-Anordnung durch Abscheidung auf GaN-Grundmaterial ohne Temperaturwechsel, d. h. alle Epi-Schichten sind bei der gleichen Temperatur abgeschieden. Offensichtlich ist die Abscheidezeit bei einem Galliumnitrid-Grundmaterial signifikant kürzer als die Abscheidezeit bei einer herkömmlichen c-Ebenen-Abscheidung für eine LED-Vorrichtung. Eine signifikante Herabsetzung der Abscheidezeit wurde durch den Verzicht auf Abscheideschichten wie die Nukleationsschicht, das InGaN/GaN-Übergitter, und durch Herabsetzen der Dicke der n- und p-GaN Mantelschichten erreicht. Selbstverständlich sind andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich.
5 ist eine vereinfachte graphische Darstellung, die ein herkömmliches optisches Bauelement auf Saphir einem optischen Bauelement gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gegenüberstellt. Diese Darstellung ist lediglich eine Veranschaulichung und soll den Schutzbereich der Ansprüche nicht unnötig einschränken. Ein Fachmann würde feststellen, dass Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind.
6 ist eine vereinfachte Darstellung eines Abscheideverfahrens für ein optisches Bauelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Darstellung dient nur der Veranschaulichung und soll den Schutzbereich der Ansprüche nicht unnötig einschränken. Ein Fachmann würde feststellen, dass andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sind. Wie gezeigt, umfasst die Abscheidesequenz zumindest (1) n-leitendes epitaktisches Material; (2) aktiven Bereich; (3) eine Elektronensperrzone; und (4) p-leitendes epitaktisches Material. Selbstverständlich können andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sein. Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung können der vorliegenden Beschreibung und insbesondere dem Untenstehenden entnommen werden.

1. Grundmaterial: Jede Orientiertung, z. B. polar, unpolar, semipolar, c-Ebene. (Al, Ga, In)N-basiertes Material Dichte der Schraubenversetzungen (TD) < 1 × 10⁸ cm^–2 Stapelfehlerdichte (SF) < 1 × 10⁴ cm^–1 Dotierung > 1 × 10¹⁷ cm^–3
2. n-leitendes epitaktisches Material: Dicke von < 2 μm, < 1 μm, < 0,5 μm, < 0,2 μm (Al, Ga, In)N-basiertes Material Abscheidetemperatur T < 1200°C, < 1000°C nicht gewollt dotiert (unintentionally doped; UID) oder dotiert
3. Aktive Bereiche: wenigstens eine AlInGaN-Schicht Mehrfach-Quantentopf(multiple quantum well; MQW)-Anordnung Quantentöpfe haben eine Dicke von > 20 Å, > 50 Å, > 80 Å Quantentopf und n- und p-Schicht-Abscheidetemperatur sind identisch oder ähnlich Die Emissionswellenlänge ist < 575 nm, < 500 nm, < 450 nm, < 410 nm
4. p-leitendes epitaktisches Material: Wenigstens eine Mg-dotierte Schicht Dicke von < 0,3 μm, < 0,1 μm (Al, Ca, In) N-basiert Abscheidetemperatur T < 1100°C, < 1000°C, < 900°C Wenigstens eine Schicht fungiert als eine Elektronensperrschicht (EBL) Wenigstens eine Schicht fungiert als eine Kontaktschicht

Natürlich können davon andere Variationen, Modifikationen und Alternativen möglich sein. Weitere Einzelheiten sind in der vorliegenden Beschreibung und insbesondere untenstehend beschrieben.
Bei einer bestimmten Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein gallium- und stickstoffhaltiges Grundsubstrat bereit. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist das Galliumnitrid-Substrat ein GaN-Grundsubstrat, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen semipolaren oder unpolaren kristallinen Oberflächenbereich aufweist, aber auch anderes sein kann. Bei einer bestimmnten Ausführungsform umfasst das Nitrid des GaN-Grundsubstrats Stickstoff und weist eine Oberflächenversetzungsdichte von weniger als 10⁵ cm^–2 auf. Der Nitridkristall oder Wafer kann Al_xIn_yGa_1-x-yN umfassen, wobei 0 ≤ x, y, x + y ≤ 1. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann der Nitridkristall GaN umfassen, aber auch etwas anderes sein. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen weist das GaN-Substrat in einer Richtung, die im Wesentlichen orthogonal oder geneigt zur Oberfläche ist, Schraubenversetzungen mit einer Konzentration von zwischen etwa 10⁵ cm^–2 und etwa 10⁸ cm^–2 auf. Als Folge der orthogonalen oder geneigten Orientierung der Versetzungen beträgt die Versetzungsdichte weniger als etwa 10⁵ cm^–2. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das vorliegende Verfahren ein gallium- und stickstoffhaltiges Substrat umfassen, welches mit jeder Orientierung ausgebildet ist, beispielsweise c-Ebene, a-Ebene, m-Ebene. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist das Substrat bevorzugt (Al, Ga, In)N-basiert. Das Substrat weist eine Schraubenversetzungsdichte (TD) von < 1 × 10⁸ cm^–2, eine Stapelfehlerdichte (SF) < 5 × 10³ cm^–1 auf, und kann mit Silicium und/oder Sauerstoff mit einer Konzentration von > 1 × 10¹⁷ cm^–3 dotiert sein. Selbstverständlich kann es andere Variationen, Modifikationen und Alternativen geben.
Wie gezeigt, bildet das Verfahren ein n-leitendes Material aus, welches auf der Oberfläche des gallium- und stickstoffhaltigen Substrats aufliegt. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist das n-leitende Material epitaktisch ausgebildet und weist eine Dicke von weniger als 2 Mikrometer oder weniger als 1 Mikrometer oder weniger als 0,5 Mikrometer oder weniger als 0,3 Mikrometer auf, oder kann auch anders sein. Bei einer spezifischen Ausführungsform ist das n-leitende Material (Al, Ga, In)N-basiert. Die Abscheidung erfolgt unter Verwendung einer Temperatur von weniger als etwa 1200 Grad Celsius oder weniger als etwa 1000 Grad Celsius, aber häufig bei mehr als 950 Grad Celsius. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das n-leitende Material nicht gewollt dotiert (UID) oder unter Verwendung einer Silciumart (z. B. Si) oder einer Sauerstoffart (z. B. O2) dotiert. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann der Dotierstoff aus Silan, Disilan, Sauerstoff oder ähnlichem gewonnen werden. Bei einer bestimmten Ausführungsform dient das n-leitende Material als Kontaktbereich für das n-leitende (siliciumdotierte) GaN und ist durch eine Dicke von etwa 5 Mikrometer und ein Dotierniveau von etwa 2 × 10¹⁸ cm^–3 gekennzeichnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das gallium- und stickstoffhaltige epitaktische Material auf dem Substrat mittels Metall-organischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) bei Atmosphärendruck abgeschieden. Das Verhältnis der Flussrate des Precursors der Gruppe V (Ammoniak) zu der des Precursors der Gruppe III (Trimetyhlgallium, Trimethylindium, Trimethylaluminium) während des Abscheidens beträgt zwischen etwa 3.000 und etwa 12.000. Selbstverständlich kann es andere Variationen, Modifikationen und Alternativen geben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bildet das Verfahren einen aktiven Bereich aus, welcher auf dem n-leitenden Kontaktbereich aufliegt. Der aktive Bereich umfasst wenigstens eine AlInGaN-Schicht und weist vorzugsweise eine Multiquantentopfanordnung auf. Jeder der Quantentöpfe kann durch eine Dicke von 20 Angström oder weniger, 50 Angström oder weniger, oder 80 Angström oder weniger, oder Kombinationen und dergleichen gekennzeichnet sein. Fakultativ kann der aktive Bereich auch einen Sperrbereich oder Sperrbereiche umfassen. Bei einer bestimmten Ausführungsform sind die Abscheidungstemperaturen für den n-leitenden Kontaktbereich und die Quantentopfbereiche gleich oder geringfügig verschieden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Multiquantentopfstruktur für Emissionen bei 500 nm oder weniger, 450 nm oder weniger, oder 410 nm oder weniger oder anderen ausgebildet.
Bei einer bestimmten Ausführungsform wird ein undotierter AlGaN elektronensperrender Bereich abgeschieden. Bei einer bestimmten Ausführungsform hat der Sperrbereich eine Dicke von 0,3 Mikrometer oder weniger, oder 0,1 Mikrometer oder weniger. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein p-leitender GaN-Kontaktbereich abgeschieden. Bevorzugt beträgt die Abscheidungstemperatur des p-leitenden Kontaktbereichs 1100 Grad Celsius oder weniger, oder 1000 Grad Celsius oder weniger, oder 900 Grad Celsius oder weniger. Indium-Zinn-Oxid (indium tin Oxide; ITO) wird als p-leitender Kontakt mit einem Elektronenstrahl auf die p-leitende Kontaktschicht aufgedampft und mit einem Rapid-Thermal-Annealing-Verfahren ausgeheilt. Mesa-LEDs mit einer Größe von etwa 300 × 300 μm² werden durch Fotolithografie und Trockenätzung unter Verwendung einer induktivgekoppelten Plasmatechnologie (inductively-coupled plasma; ICP) auf Chlorbasis gebildet. Ti/Al/Ni/Au wird zur Ausbildung eines n-leitenden Kontakts mit einem Elektronenstrahl auf die exponierte n-GaN Schicht aufgedampft, Ti/Au wird zur Ausbildung einer n-Kontaktfläche mit einem Elektronenstrahl auf einen Bereich der ITO Schicht aufgedampft, und der Wafer wird in einzelne LED-Plättchen zerteilt. Durch herkömmliches Drahtbonden werden elektrische Kontakte gebildet. Selbstverständlich kann es andere Varianten, Modifikationen oder Alternativen geben.
Bei anderen Ausführungsformen ist das vorliegende Verfahren durch eine schnelle Abscheidezeit gekennzeichnet. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist die Gesamtabscheidezeit durch die Bildung eines gallium- und stickstoffhaltigen epitaktischen Materials charakterisiert. Die Gesamtabscheidezeit beträgt weniger als 1 Stunde, weniger als 30 Minuten, weniger als 15 Minuten oder anderes. Bei einer bestimmten Ausführungsform weist das Verfahren eine Kammerzeit auf, die durch die Gesamtabscheidezeit und die Temperaturrampenzeit gekennzeichnet ist. Die Kammerzeit kann weniger als 1 Stunde betragen, weniger als 30 Minuten oder anders sein. Bei einer bestimmten Ausführungsform weist das Verfahren eine Zykluszeit auf, welche durch die Kammerzeit und eine Beschickungs- und Entnahmezeit gekennzeichnet ist. Die Zykluszeit kann weniger als 2 Stunden, weniger als 1 Stunde, weniger als 30 Minuten betragen oder anders sein. Bei einer bestimmten Ausführungsform ist das gallium- und stickstoffhaltige Material durch eine Abscheiderate von 4 Mikrometern pro Stunde oder höher gekennzeichnet, oder für n-leitendes gallium- und stickstoffhaltiges Material von 6 Mikrometern pro Stunde oder höher. Bei einer bestimmten Ausführungsform wird das p-leitende gallium- und stickstoffhaltige Material mit 2 Mikrometern pro Stunde oder höher abgeschieden. Bevorzugt entsteht die höhere Abscheiderate bei Verwendung eines Atmosphärendruck-MOCVD-Reaktors, der auch geringfügig oberhalb oder unterhalb des Atmosphärendrucks betrieben werden kann. Die Temperatur der Abscheidung kann bei n-leitendem gallium- und stickstoffhaltigen Material (beispielsweise einen Siliciumdotierstoff enthaltend) im Bereich von etwa 950 Grad Celsius bis 1200 Grad Celsis oder darüber oder bei p-leitendem gallium- und stickstoffhaltigen Material (beispielsweise Magnesiumdotierstoff enthaltend) im Bereich von 950 Grad Celsius bis etwa 1025 Grad Celsius liegen. Selbstverständlich kann es andere Varianten, Modifikationen oder Alternativen geben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform stellt das vorliegende Verfahren ein ebenes epitaktisches Material bereit. Beispielsweise ist die Oberflächenrauheit bei Verwendung von n-leitendem gallium- und stickstoffhaltigem Material bei einer Fläche von 5 Mikrometer × 5 Mikrometer durch eine Oberflächenrauheit von 1 nm (quadratischer Mittelwert) oder weniger gekennzeichnet. Bei einer bestimmten Ausführungsform unter Verwendung von p-leitendem gallium- und stickstoffhaltigen Material wird die Oberflächenrauheit bei einer Fläche von 5 Mikrometer × 5 Mikrometer durch etwa 1 nm (quadratischer Mittelwert) oder weniger gekennzeichnet. Selbstverständlich kann es hiervon Variationen, Modifikationen und Alternativen geben.
7 ist eine vereinfachte Darstellung eines Abscheideverfahrens für eine gleichrichtende pn-Diode nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Darstellung dient lediglich der Veranschaulichung und soll den Schutzbereich der Ansprüche nicht unnötig einschränken. Ein Fachmann wird feststellen, dass es andere Varianten, Modifikationen oder Alternativen gibt. Wie gezeigt, umfasst die Abscheidesequenz wenigstens (1) n-leitendes epitaktisches Material; und (4) p-leitendes epitaktisches Material. Selbstverständlich kann es hiervon andere Varianten, Modifikationen oder Alternativen geben. Weitere Einzelheiten des vorliegenden Verfahrens können der vorliegenden Beschreibung und insbesondere dem Untenstehenden entnommen werden.

1. Grundmaterialwafer Jede Orientiertung (Al, Ga, In)N-basiert Schraubenversetzungsdichte (TD) < 1 × 10⁸ cm^–2 Stapelfehlerdichte (SF) < 5 × 10³ cm^–1 Dotierung > 1 × 10¹⁷ cm^–3
2. n-leitende Schicht < 2 μm, < 1 μm, < 0,5 μm, < 0,2 μm (Al, Ga, In)N-basiert Abscheidungstemperatur T < 1.200°C, < 1.000°C ungewollt dotiert oder dotiert
3. p-leitende Schicht wenigstens eine Mg-dotierte Schicht < 0,3 μm, < 0,1 μm (Al, Ga, In)N-basiert Abscheidungstemperatur T < 1.100°C, < 1.000°C, < 900°C Wenigstens eine Schicht fungiert als Elektronensperrschicht (EBL) Wenigstens eine Schicht fungiert als eine Kontaktschicht

Selbstverständlich kann es andere Variationen, Modifikation oder Alternativen geben. Weitere Einzelheiten sind der vorliegenden Beschreibung zu entnehmen.
8 ist eine vereinfachte Darstellung eines Abscheideverfahrens für einen Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit oder einen Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Darstellung dient lediglich der Veranschaulichung und soll den Schutzbereich der Ansprüche nicht unnötig einschränken. Ein Fachmann würde erkennen, dass andere Variationen, Modifikationen oder Alternativen möglich sind. Wie gezeigt, umfasst die Abscheidesequenz wenigstens (1) ungewollt dotiertes epitaktisches Material (Puffer); und (4) eine (AlInGaN) Barriere, entweder ungewollt dotiert oder n-leitendes epitaktisches Material. Selbstverständlich kann es andere Variationen, Modifikation oder Alternativen geben. Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung können dieser Beschreibung und insbesondere dem Untenstehenden entnommen werden.

1. Grundmaterialwafer Jede Orientierrung (Al, Ga, In)N-basiert Schraubenversetzungsdichte (TD) < 1 × 10⁸ cm^–2 Stapelfehlerdichte (SF) < 5 × 10³ cm^–1 Dotierung > 1 × 10¹⁷ cm^–3
2. Pufferschicht < 2 μum, < 1 μm, < 0,5 μm, < 0,2 μm (Al, Ga, In)-N-basiert Abscheidetemperatur T < 1.200°C, < 1.000°C ungewollt dotiert oder dotiert Wenigstens eine Schicht ist durch Dotierung mit Fe oder C semiisolierend
3. Sperrschicht < 0,1 μm, < 500 nm, < 30 nm (Al, Ga, In)N-basiert Abscheidetemperatur T < 1.200°C, < 1.100°C, < 1.000°C Wenigstens eine Schicht mit Si dotiert

Selbstverständlich kann es andere Variationen, Modifikation oder Alternativen geben. Weitere Einzelheiten sind der vorliegenden Beschreibung zu entnehmen.
Bei einer bestimmten Ausführungsform weist der Nitridkristall eine Oberflächenversetzungsdichte von weniger als 10⁵ cm^–2 auf. Der Nitridkristall oder Wafer kann Al_xIn_yGa_1-x-yN aufweisen, wobei 0 ≤ x, y, x+ y ≤ 1 ist. Bei einer bestimmten Ausführungsform weist der Nitridkristall GaN auf. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Nitridkristall über ein Längenmaß von zumindest 3 Millimetern im Wesentlichen frei von kleinwinkeligen Korngrenzen oder Neigungskorngrenzen. Der Nitridkristall kann auch eine Trennschicht mit einem optischen Absorptionskoeffizienten von mehr als 1000 cm^–1 bei zumindest einer Wellenlänge umfassen, wobei der unter der Trennschicht gelegene Kristall mit einem optischen Absorptionskoeffizienten von weniger als 50 cm^–1 im Wesentlichen transparent ist und ferner eine hochqualitative Epitaxieschicht aufweisen kann, die ebenfalls eine Oberflächenversetzungsdichte von weniger als 10⁵ cm^–2 aufweist. Die Trennschicht kann unter Bedingungen geätzt werden, bei denen keine Ätzung des Nitridgrundkristalls bzw. der hochqualitativen Epitaxieschicht auftritt. Selbstverständlich sind auch andere Abänderungen, Abwandlungen und Alternativen möglich.
Bei einer bestimmten Ausführungsform kann das Substrat eine großflächige (0 0 0 1), (0 0 0 –1), {1 –1 0 0}, {1 1 –2 0}, {1 –1 0 ±1}, {1 –1 0 ±2}, {1 –1 0 ±3} bzw. {1 1 –2 ±2} Orientierung innerhalb von zehn Grad, innerhalb von fünf Grad, innerhalb von zwei Grad, innerhalb von einem Grad, innerhalb von 0,5 Grad oder innerhalb von 0,2 Grad aufweisen. Das Substrat kann eine Versetzungsdichte von weniger als 10⁴ cm^–2, von weniger als 10³ cm^–2 oder von weniger als 10² cm^–2 aufweisen. Der Nitridgrundkristall oder Wafer kann bei Wellenlängen zwischen etwa 465 nm und etwa 700 nm einen optischen Absorptionskoeffizienten von unter 100 cm^–1, von unter 50 cm^–1 oder von unter 5 cm^–1 aufweisen. Der Nitridgrundkristall kann bei Wellenlängen von zwischen etwa 700 nm und etwa 3077 nm und bei Wellenlängen von zwischen etwa 3333 nm und etwa 6667 nm einen optischen Absorptionskoeffizienten von unter 100 cm^–1, von unter 50 cm^–1 oder von unter 5 cm^–1 aufweisen. Selbstverständlich sind auch andere Abänderungen, Abwandlungen und Alternativen möglich.
Das oben Ausgeführte stellt eine vollständige Beschreibung bestimmter Ausführungsformen dar, von denen verschiedene Abwandlungen, alternative Ausführungen oder Äquivalente verwendet werden können. Beispielsweise kann die Erfindung auf die Verwendung von Autokassetten-MOCVD-Reaktoren abgestellt werden, bei denen die Kassette zwei (oder zehn oder mehr) oder mehr einzelne Wafer bzw. Waferscheiben für Multiwaferreaktoren aufnimmt. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann die epitaktische Struktur ein LED-Bauelement ausbilden, das eine elektromagnetische Strahlung in einem Bereich von 390–420 nm, 420–460 nm, 460–500 nm, 500–600 nm bzw. anderen emittieren kann. Bei einer bestimmten Ausführungsform verschiedenartige Bauelemente, wie beispielsweise eine pn-Diode, eine Schottkydiode, ein Transistor, ein High-Electron-Mobility-Transistor (HEMT, Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit), ein Bipolartransistor (BJT), ein Heterojunction-Bipolar-Transistor (HBT, Bipolartransistor mit Heteroübergang), ein Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET), ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), ein Metall-Isolator-Halbleiter-Heteroübergang-Feldeffekttransistor (MISHFET), Kombinationen oder andere. Bei alternativen Ausführungsformen kann das vorliegende Verfahren auf Laserdiodenbauelemente wie z. B. solche, die in der hiermit für alle Zwecke durch Bezugnahme aufgenommenen U.S. Serial No. 12/759,273 (Attorney Docket No. 027600-000210US) beschrieben sind, angewandt werden. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das gallium- und stickstoffhaltige Material durch eine oder verschiedene Oberflächenorientierungen charakterisiert werden, z. B. unpolar, semipolar, polar. Weitere Details der vorliegenden Erfindung können der gesamten vorliegenden Beschreibung und im Besonderen dem untenstehenden Beispiel entnommen werden.
Beispiel:
Als Beleg für das Prinzip und das Funktionieren des Experiments wurden bestimmte Versuche durchgeführt. Wir haben nachgewiesen, dass hochqualitative GaN-Epitaxieschichten bei hohen Abscheideraten von 4 Mikrometer pro Stunde und mehr erhalten werden. Der Versuch wurde wie erwähnt unter Verwendung eines mit Reaktionsgasen ausgestatteten Atmosphärendruck-MOCVD-Reaktors durchgeführt. Die Kammer ist zum Erbringen der thermischen Energie für die Abscheidung ausgebildet. Die Reaktionstemperatur wird mit Thermoelementen gemessen, die mit dem den Grundmaterialwafer aufnehmenden Suszeptor verbunden sind. Es wird angenommen, dass die Abscheidetemperatur geringfügig geringer als die hier Erwähnte ist. Des Weiteren wurde der Versuch unter Verwendung der folgenden Parameter durchgeführt:

1. Grundmaterialwafer: unpolar, semipolar oder polar GaN basiertes Material Schraubenversetzungsdichte (TD-Dichte) < 10⁸ cm^–2 Stapelfehlerdichte (SF-Dichte) < 10⁴ cm^–1 n-leitende Siliciumdotierung < 10¹⁷ cm^–3
2. n-leitendes Epitaxiematerial: Dicke von < 2 mm (Al, Ga, In)N-basiertes Material 950°C < Abscheidetemperatur < 1050°C siliciumdotiert Rauheit 2 nm (quadratischer Mittelwert) über eine Fläche von 25 Mikrometern

Wir haben hochqualitative Schichten mit einer Oberflächenrauheit von 2 nm (quadratischer Mittelwert) und weniger bei einer Fläche von 25 Mikrometern unter Verwendung schneller Abscheideverfahren nachgewiesen. Natürlich sind auch andere Abänderungen, Abwandlungen und Alternativen möglich.
Das oben Ausgeführte stellt eine vollständige Beschreibung bestimmter Ausführungsformen dar, von denen verschiedene Abwandlungen, alternative Ausführungen oder Äquivalente verwendet werden können. Beispielsweise kann die Erfindung auf die Verwendung von Autokassetten-MOCVD-Reaktoren abgestellt werden, bei denen die Kassette zwei (oder zehn oder mehr) oder mehr einzelne Wafer bzw. Waferscheiben für Multiwaferreaktoren aufnimmt. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann die epitaktische Anordnung ein LED-Bauelement ausbilden, das eine elektromagnetische Strahlung in einem Bereich von 390–420 nm, 420–460 nm, 460–500 nm, 500–600 nm bzw. anderen emittieren kann. Bei einer bestimmten Ausführungsform verschiedenartige Bauelemente, wie beispielsweise eine pn-Diode, eine Schottkydiode, ein Transistor, ein High-Electron-Mobility-Transistor (HEMT, Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit), ein Bipolartransistor (BJT), ein Heterojunction-Bipolar-Transistor (HBT, Bipolartransistor mit Heteroübergang), ein Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET), ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), ein Metall-Isolator-Halbleiter-Heteroübergang-Feldeffekttransistor (MISHFET), Kombinationen oder andere. Bei alternativen Ausführungsformen kann das vorliegende Verfahren auf Laserdiodenbauelemente wie z. B. solche, die in der hiermit für alle Zwecke durch Bezugnahme aufgenommenen U.S. Serial No. 12/759,273 (Attorney Docket No. 027600-000210US) beschrieben sind, angewandt werden. Bei einer oder mehreren Ausführungsformen kann das gallium- und stickstoffhaltige Material durch eine oder verschiedene Oberflächenorientierungen charakterisiert werden, z. B. unpolar, semipolar, polar. Die obige Beschreibung und Veranschaulichungen sind daher nicht so aufzufassen, dass sie den durch die beigefügten Ansprüche definierten Umfang der Erfindung beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 12/759273 [0048, 0051]

Claims

Verfahren zum schnellen Abscheiden von gallium- und stickstoffhaltigem Material, aufweisend: Bereitstellen eines gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats, welches einen Oberflächenbereich aufweist; Ausbilden von erstem epitaktischebn Material, welches eine erste Dicke aufweist und welches auf dem Oberflächenbereich des gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats aufliegt, wobei das auf dem Oberflächenbereich des gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats aufliegende erste epitaktische Material pseudomorph ausgebildet ist; und Ausbilden von einem oder mehreren zweiten epitaktischen Materialien, welche auf dem ersten epitaktischen Material aufliegen und zur Bildung eines Schichtaufbaus ausgebildet sind; wobei der Schichtaufbau eine Gesamtdicke von weniger als etwa 2 Mikrometer besitzt, und einen wenigstens substantiellen Abschnitt eines epitaktischen Bereichs eines optischen oder elektronischen Bauelements kennzeichnet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste epitaktische Material weniger als 1 Mikrometer stark ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste epitaktische Material weniger als 500 nm stark ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste epitaktische Material weniger als 100 nm stark ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren zweiten epitaktischen Materialien weniger als 1 Mikrometer stark sind.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren zweiten epitaktischen Materialien weniger als 500 nm stark sind.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren zweiten epitaktischen Materialien weniger als 100 nm stark sind.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren zweiten epitaktischen Materialien weniger als 1000 nm stark sind.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste epitaktische Material durch eine Stapelfehlerdichte von 1 × 10⁴ cm^–1 oder weniger gekennzeichnet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste epitaktische Material durch Schraubenversetzungen von 1 × 10⁸ cm^–2 oder weniger oder 1 × 10⁶ cm^–2 oder weniger gekennzeichnet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste epitaktische Material durch eine von einem ersten Bereich zu einem zweiten Bereich im Wesentlichen gleichförmige Defektdichte gekennzeichnet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die im Wesentlichen gleichförmige Defektdichte grundsätzlich gleichförmig ist.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die im Wesentlichen gleichförmige Defektdichte vollständig gleichförmig ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste epitaktische Material und der Oberflächenbereich eine Grenzschicht aufweisen, die im Wesentlichen frei von einer oder mehreren Nukleationsschichten ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gesamtdicke weniger als etwa 1 Mikrometer beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gesamtdicke weniger als etwa 500 nm beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Gesamtdicke weniger als etwa 200 nm beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schichtaufbau innerhalb einer Gesamtabscheidezeit gebildet wird, welche durch die Bildung von gallium- und stickstoffhaltigem epitaktischen Material gekennzeichnet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Gesamtabscheidezeit weniger als 1,5 Stunden oder weniger als 2 Stunden beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Gesamtabscheidezeit weniger als 1 Stunde beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Gesamtabscheidezeit weniger als 30 Minuten beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Gesamtabscheidezeit weniger als 15 Minuten beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schichtaufbau innerhalb einer Kammerzeit erfolgt, welche durch eine Gesamtabscheidezeit und eine Temperaturrampenzeit gekennzeichnet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Kammerzeit weniger als 1 Stunde oder weniger als 1,5 Stunden beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Kammerzeit weniger als 30 Minuten beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schichtaufbau innerhalb einer Zykluszeit erfolgt, welche durch eine Kammerzeit und eine Beschickungs- und Entnahmezeit gekennzeichnet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Zykluszeit weniger als 2 Stunden oder weniger als 2,5 Stunden beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Zykluszeit weniger als 1 Stunde beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Zykluszeit weniger als 30 Minuten beträgt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste epitaktische Material und das eine oder die mehreren zweiten epitaktischen Materialien in einer einzigen Kammer abgeschieden werden.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste epitaktische Material und das eine oder die mehreren zweiten epitaktischen Materialien jeweils in mehreren Kammern abgeschieden werden.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner ein Aufrechterhalten einer bestimmten Temperatur während einer Erstellung des ersten epitaktischen Materials und des einen oder der mehreren zweiten epitaktischen Materialien umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner eine Verwendung eines Autokassetten-MOCVD-Reaktors umfasst, wobei der Autokassetten-MOCVD-Reaktor ausgebildet ist, zwei oder mehr einzelne Wafer oder Waferscheiben für Multiwafer-Reaktoren aufzunehmen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner eine Verwendung eines Autokassetten-MOCVD-Reaktors umfasst, wobei der Autokassetten-MOCVD-Reaktor ausgebildet ist, drei oder mehr einzelne Wafer oder Waferscheiben für Multiwafer-Reaktoren aufzunehmen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, das ferner eine Verwendung eines Autokassetten-MOCVD-Reaktors umfasst, wobei der Autokassetten-MOCVD-Reaktor ausgebildet ist, zehn oder mehr einzelne Wafer oder Waferscheiben für Multiwafer-Reaktoren aufzunehmen.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau eine LED ausbildet, welche in einem Wellenlängenbereich von 390 nm bis 420 nm emittiert.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau eine LED ausbildet, welche in einem Wellenlängenbereich von 420 nm bis 460 nm emittiert.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau eine LED ausbildet, welche in einem Wellenlängenbereich von 460 nm bis 500 nm emittiert.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau eine LED ausbildet, welche in einem Wellenlängenbereich von 500 nm bis 600 nm emittiert.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau eine pn-Diode ausbildet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau eine Laserdiode ausbildet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau eine Schottky-Diode ausbildet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau einen Transistor ausbildet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau einen Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT) ausbildet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau einen Bipolartransistor (BJT) ausbildet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau einen Bipolartransistor mit Heteroübergang (HBT) ausbildet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau einen Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET) ausbildet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausbildet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der epitaktische Schichtaufbau einen Metall-Isolator-Halbleiter-Heteroübergang-Feldeffekttransistor (MISHFET) ausbildet.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gallium- und stickstoffhaltige Substrat durch eine unpolare Oberflächenorientierung gekennzeichnet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gallium- und stickstoffhaltige Substrat durch eine semipolare Oberflächenorientierung oder eine polare Oberflächenorientierung gekennzeichnet ist.
Verfahren zum schnellen Abscheiden von gallium- und stickstoffhaltigem Material, aufweisend: Bereitstellen eines gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats, welches einen Oberflächenbereich aufweist; Ausbilden von erstem epitaktischen Material mit einer gewünschten Abscheiderate und einer ersten Dicke, das auf dem Oberflächenbereich des gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats aufliegt, wobei das auf dem Oberflächenbereich des gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats aufliegende erste epitaktische Material pseudomorph ausgebildet ist; und Ausbilden von einem oder von mehreren zweiten epitaktischen Materialien, welche auf dem ersten epitaktischen Material aufliegen und zur Bildung eines Schichtaufbaus ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei während des Ausbildens ein Temperaturbereich von etwa 950 Grad Celsius bis etwa 1.200 Grad Celsius aufrecht erhalten wird; und wobei die gewünschte Abscheidrate 4 oder mehr Mikrometer pro Stunde beträgt.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei das Bereitstellen ein Auswählen des gallium- und stickstoffhaltigen Grundsubstrats aus einer in einer Kammer aufgenommenen Autokassette umfasst.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei das Ausbilden in einer MOCVD-Kammer unter Atmosphärendruck erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei das gallium- und stickstoffhaltige Substrat während des Ausbildens unter etwa Atmosphärendruck gehalten wird.
Das Verfahren nach Anspruch 52, wobei die erste Dicke des ersten epitaktischen Materials durch eine Oberflächenrauheit von weniger als etwa 2 nm (quadratischer Mittelwert) eines fünf mal fünf Mikrometer großen Quadrats gekennzeichnet ist.
Das Verfahren nach Anspruch 52, wobei die erste Dicke des ersten epitaktischen Materials ein n-leitendes Material ist.
Das Verfahren nach Anspruch 52, wobei das zweite epitaktische Material ein p-leitendes Material ist.
Das Verfahren nach Anspruch 52, wobei das erste epitaktische Material durch eine Stapelfehlerdichte von 1 × 10⁴ cm^–1 oder weniger gekennzeichnet ist.