DE602004006043T2

DE602004006043T2 - Gruppe III-Nitridschichten mit strukturierten Oberflächen

Info

Publication number: DE602004006043T2
Application number: DE602004006043T
Authority: DE
Inventors: Aref Springfield Chowdhury; Hock Min Westfield Ng; Richard Elliott Lebanon Slusher
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2003-03-26
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2024-02-25
Also published as: CN101261936A; EP1467404A3; EP1467404B1; JP5721545B2; US20040189173A1; US20120028448A1; USRE47767E1; US8070966B2; CN1532890A; JP4790226B2; EP1467404A2; CN100397559C; KR20040084666A; JP2011233531A; JP2004297070A; EP3035372A1; US20090139957A1; EP1780748A1; KR101050676B1; US8613860B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft elektrische und optische Bauelemente, die kristalline Gruppe III-Nitride umfassen.
ERÖRTERUNG DES STANDES DER TECHNIK
Halbleiter aus kristallinem Gruppe III-Nitrid werden sowohl in elektrischen als auch in optischen Bauelementen verwendet.
In Bezug auf elektrische Bauelemente, sind Gruppe III-Nitride verwendet worden, um Feldemitter herzustellen. Ein Feldemitter ist eine leitfähige Struktur mit einer scharfen Spitze. Die scharfe Spitze produziert ein hohes elektrisches Feld als Antwort auf das Geladenwerden. Das hohe elektrische Feld führt zu Elektronenemission aus der Spitze. Aus diesem Grund kann eine Anordnung von Feldemittern einen Leuchtbildschirm betreiben.
Ein Verfahren des Standes der Technik fertigt Anordnungen von Feldemittern aus Gruppe III-Nitriden. Gruppe III-Nitride weisen aufgrund der Stabilität der Bindung zwischen dem Gruppe III-Atom und Stickstoff chemische und mechanische Stabilität auf. Eine derartige Stabilität ist in Bauelementen, die eine Anordnung von Feldemittern verwenden, sehr wünschenswert.
Das Verfahren des Standes der Technik wächst die Feldemitter aus Gruppe III-Nitriden. Das Wachstumsverfahren umfasst das epitaxiale Wachsen einer Galliumnitrid-(GaN)-schicht auf einem Saphirsubstrat, Bilden einer SiO₂-Maske auf der GaN-Schicht und epitaxiales Wachsen pyramidaler GaN-Feldemitter in kreisförmigen Fenstern der Maske. Obwohl das Wachstumsverfahren Feldemitter von einheitlicher Größe produziert, weisen die Feldemitter keine sehr scharfen Spitzen auf. Schärfere Spitzen sind wünschenswert, um höhere Elektronenemissionsraten und geringere Schaltspannungen zu produzieren.
Mit Bezug auf optische Bauelemente, weisen Gruppe III-Nitride hohe Brechungsindizes auf. Materialien mit hohen Brechungsindizes sind bei der Herstellung von photonischen Bandlückenstrukturen wünschenswert. Für eine feste photonische Bandlücke ermöglichen derartige Materialien die Herstellung einer photonischen Bandlückenstruktur mit größeren Merkmalsabmaßen als sie möglich sein würden, wenn die Struktur aus einem Material mit einem geringeren Brechungsindex hergestellt wäre.
Ein Verfahren zum Herstellen einer planaren photonischen Bandlückenstruktur umfasst das Trockenätzen einer glatten Schicht eines Gruppe III-Nitrids. Die chemische Stabilität der Gruppe III-Nitride führt leider dazu, dass Trockenätzmittel eine geringe Selektivität für das Gruppe III-Nitrid gegenüber dem Maskenmaterial aufweisen. Aus diesem Grund produziert ein Trockenätzen kein tiefes Oberflächenrelief in einer Schicht eines Gruppe III-Nitrids. Das Trockenätzverfahren produziert daher nur dünne planare photonische Bandlückenstrukturen aus Gruppe III-Nitriden.
Licht kantenkoppelt leider nicht effizient mit dünnen planaren Strukturen. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, ein Verfahren zu haben, das in der Lage ist, eine photonische Bandlückenstruktur mit einem höheren Oberflächenrelief aus einem Gruppe III-Nitrid zu fertigen.
US-Patentschrift 5 915 164 ist auf ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen gerichtet, wobei p-leitendes GaN auf einem Substrat gebildet wird, und halbisolierendes AlN auf dem p-leitenden GaN gebildet wird, wobei n-leitendes GaN auf dem p-leitenden GaN und teilweise unterhalb des AlN gebildet wird. Hocheffiziente Hochleistungs- und Hochspannungshalbleiterbauelemente werden durch dieses Verfahren gebildet, die bessere oder ähnliche Eigenschaften wie Siliciumhalbleiter aufweisen.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
Hierin weist eine gemusterte Fläche eine Anordnung von Deformationen darin auf, z.B. eine Anordnung von Löchern, Gräben oder physikalisch rauen Bereichen.
Verschiedene Ausführungsformen stellen Verfahren zum Fertigen von Schichten eines Gruppe III-Nitrids mit gemusterten Flächen bereit. Die gemusterten Flächen stellen den resultierenden Strukturen Funktionalitäten bereit. Die Fertigungsverfahren nutzen die Empfindlichkeit der stickstoffpolaren (N-polaren) Gruppe III-Nitrid-Schichten für Angriff durch starke Basen aus. Die Verfahren verwenden basische Lösungen, um eine Schicht eines Gruppe III-Nitrids auf eine Art und Weise nass zu ätzen, die eine gemusterte Fläche produziert. Beispielhafte gemusterte Flächen stellen photonische Bandlückenstrukturen und Feldemitteranordnungen bereit.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der Erfindung sind wie in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine Querschnittsansicht einer planaren Struktur für eine Feldemitteranordnung eines Gruppe III-Nitrids;
1B ist eine Querschnittsansicht einer weiteren planaren Struktur für eine Feldemitteranordnung von Gruppe III-Nitrid-Feldemittern;
1C zeigt einen Flachbildschirm, der die Feldemissionsanordnung von 1A oder 1B umfasst;
2 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur, die eine Schicht eines Gruppe III-Nitrids umfasst, die periodisch mit Löchern oder Gräben gemustert ist;
2A ist eine Draufsicht einer Ausführungsform eines photonischen Bandlücken-Bauelements, das eine Struktur umfasst, die durch die Struktur von 2 dargestellt ist;
2B ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines photonischen Bandlücken-Bauelements, das eine Struktur umfasst, die durch die Struktur von 2 dargestellt ist;
2C ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines photonischen Bandlücken-Bauelements, das eine Struktur umfasst, die durch die Struktur von 2 dargestellt ist;
3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Fertigen von Strukturen mit gemusterten Schichten eines Gruppe III-Nitrids, wie in den 1A–1B, 2, 2A und 2B gezeigt, veranschaulicht;
4 ist eine schrägansichtige rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (SEM) einer Struktur, die durch eine Ausführungsform des Verfahrens von 3 hergestellt wurde, wobei die Nassätzzeit kurz ist;
5 ist eine Draufsicht-SEM einer Struktur, die durch eine Ausführungsform des Verfahrens von 3 hergestellt wurde, wobei die Nassätzzeit von mittlerer Länge ist;
6 ist eine Draufsicht-SEM einer Struktur, die durch eine Ausführungsform des Verfahrens von 3 hergestellt wurde, wobei die Nassätzzeit lang ist;
7 ist ein Ablaufdiagramm für ein spezifisches Verfahren zum Fertigen von GaN-Strukturen mit gemusterten Schichten, wie in den 1A–1B, 2, 2A und 2B gezeigt.
In den Figuren und dem Text beziehen sich gleiche Bezugszahlen auf ähnliche Elemente.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die chemische Stabilität der Bindung zwischen Gruppe III-Metallen und Stickstoff führt dazu, dass Gruppe III-Nitrid-Halbleiter gegenüber vielen Ätzmitteln chemisch beständig sind. Wässrige Lösungen starker Basen ätzen trotzdem eine stickstoffpolare Oberfläche einer Schicht eines Gruppe III-Nitrids. Derartige Nassätzmittel sind in der Lage, eine Gruppe III-Nitrid-Schicht, die bereits polaritätsgemustert worden ist, mit einem Muster zu versehen. Beispielhafte gemusterte Flächen produzieren Feldemitteranordnungen, wie in den 1A–1B gezeigt, und Bandlückenstrukturen, wie in den 2, 2A und 2B gezeigt.
1A zeigt eine Feldemitteranordnung 10A. Die Feldemitteranordnung 10A umfasst ein Substrat 12 und ein regelmäßiges Muster von lateral zwischen einander verteilten säulenförmigen ersten und zweiten Bereichen 14, 15. Die ersten und zweiten Bereiche 14, 15 bedecken eine planare Fläche 17 des Substrats 12. Das Substrat 12 ist ein kristallines Material, wie Siliciumcarbid (SiC) oder (0 0 0 1)-Ebene-Saphir. Die ersten und zweiten Bereiche 15, 16 umfassen jeweils die (0 0 0 1)-Polaritäts- und (0 0 0 1)-Polaritätsformen eines Gruppe III-Nitrids. Das Gruppe III-Nitrid der Bereiche 14, 15 weist eine breite Gitterfehlanpassung mit der planaren Fläche 17 des Substrats 12 auf.
Hierin werden die (0 0 0 1)-Polaritäts- und (0 0 0 1)-Polaritätsformen eines Gruppe III-Nitrids als die N-polare und metallpolare Form bezeichnet. Die N-polare und metallpolare Form weisen entgegengesetzte Eigenpolarisationen auf. Die freien Oberflächen der flachen N-polaren und metallpolaren Schichten terminieren jeweils mit einer Schicht aus Stickstoffatomen bzw. Gruppe III-Metallatomen.
Die ersten und zweiten säulenförmigen Bereiche 14, 15 weisen physikalisch verschiedene Oberflächen auf und bilden daher eine gemusterte Schicht des Gruppe III-Nitrids auf dem Substrat 12. Die ersten Bereiche 14 umfassen eine oder mehrere hexagonale Pyramiden 16 des Gruppe III-Nitrids. Die ersten Bereiche 14 weisen daher nicht flache bloßgelegte Oberflächen auf, die scharfe Spitzen 20 umfassen. Die zweiten Bereiche 15 umfassen glatte Schichten des Gruppe III-Nitrids und sind frei von pyramidalen Strukturen. Die bloßgelegten Flächen 22 der zweiten Bereiche 15 sind daher glatt und flach. Die Flächen 22 der zweiten Bereiche 15 befinden sich auch weiter oberhalb der planaren Fläche 17 des Substrats 12 als die höchsten Spitzen 20 in den ersten Bereichen 14.
Die hexagonalen Pyramiden 16 der ersten Bereiche 14 weisen scharfe apikale Punkte 20 auf und können daher als Feldemitter fungieren. Die apikalen Spitzen 20 weisen Durchmesser von weniger als 100 Nanometer (nm) auf. In Ausführungsformen, wobei das Gruppe III-Nitrid GaN ist, weisen die Pyramiden 16 Spitzen 20 mit Durchmessern von weniger als etwa 20 nm–30 nm und Seitenflächen, die Winkel von etwa 56°–58° mit der planaren Fläche 17 bilden, auf. Die Pyramiden 16 weisen sechs Seitenflächen auf, die (1 0 1 1)-Facetten sind.
Innerhalb eines einzelnen ersten Bereichs 14 ist die Verteilung der hexagonalen Pyramiden 16 und apikalen Spitzen 20 willkürlich. Verschiedene erste Bereiche 14 können verschiedene Anzahlen der hexagonalen Pyramiden 16 aufweisen. Die Größen der ersten Bereiche 14 sind konstant, da die dazwischen verteilten zweiten Bereiche 15 die gleiche Größe und eine regelmäßige laterale Verteilung aufweisen.
In den zweiten Bereichen 15 ruht die Schicht des ersten Gruppe III-Nitrids auf einer viel dünneren Basisschicht 18, die aus einem zweiten Gruppe III-Nitrid hergestellt ist. Das zweite Gruppe III-Nitrid weist eine breite Gitterfehlanpassung mit der planaren Fläche 17 des Substrats 12 auf. Noch wichtiger ist es, dass das zweite Gruppe III-Nitrid mit Metallpolarität auf der Fläche 17 des Substrats 12 wächst.
1B zeigt eine alternative Ausführungsform einer Feldemitteranordnung 10B. Die Feldemitteranordnung 10B umfasst ein Substrat 12 und ein regelmäßiges Muster zwischen einander verteilter säulenförmiger erster und zweiter Bereiche 14, 15, wie bereits mit Bezug auf 1A beschrieben. In der Feldemitteranordnung 10B umfassen die zweiten Bereiche 14 überlappende hexagonale Pyramiden 16 anstatt der isolierten Pyramiden 16 wie in der Feldemitteranordnung 10A. Die Pyramiden 16 weisen zudem einen Bereich von Größen auf und ruhen auf einer dicken Schicht 19 eines N-polaren Gruppe III-Nitrids anstatt direkt auf der planaren Fläche 17 wie in der Feldemitteranordnung 10A der 1A. In der Feldemitteranordnung 10B weisen die hexagonalen Pyramiden 16 noch scharfe apikale Punkte 20 auf und können daher noch effektiv als Feldemitter fungieren. Die apikalen Spitzen 20 sind noch niedriger als die bloßgelegten oberen Flächen 22 der zweiten Bereiche 15.
1C zeigt eine Ausführungsform eines Flachbildschirms 24. Der Bildschirm 24 umfasst eine Feldemitteranordnung 10, z.B. Anordnung 10A oder 10B der 1A und 1B. Der Bildschirm 24 umfasst auch metallische Elektroden 26 und einen Leuchtschirm 28. Die metallischen Elektroden 26 werden von der flachen oberen Fläche 22 der zweiten Bereiche 15 der Feldemitteranordnung getragen. Die oberen Flächen 22 tragen die metallischen Elektroden 26 entlang einer Ebene, die dichter an dem Leuchtschirm 28 ist als die Spitzen 20 selbst. Aus diesem Grund sind die metallischen Elektroden 26 in der Lage, die Emission von Elektronen von der Feldemitteranordnung zu steuern. Die metallischen Elektroden 26 fungieren als Steuergatter für Feldemitter in angrenzenden ersten Bereichen 14. Das Tragen der metallischen Elektroden 26 auf den zweiten Bereichen 22 vermeidet günstigerweise eine Notwendigkeit, die Elektroden an den einzelnen Spitzen 20 selbstauszurichten. Ein derartiger Ausrichtungsprozess würde kompliziert sein, da die Positionen der Spitzen 20 in den einzelnen ersten Bereichen 14 willkürlich sind.
2 zeigt eine weitere Struktur 30, die eine gemusterte Schicht 32 eines ersten Gruppe III-Nitrids aufweist. Die Schicht 32 befindet sich auf einer planaren Fläche 17 des kristallinen Substrats 12, z.B. der (0 0 0 1)-Ebene eines Saphirsubstrats. Die Schicht 32 umfasst eine regelmäßige Anordnung identischer säulenförmiger Löcher oder Gräben 34. Die Löcher oder Gräben 34 weisen im Wesentlichen rechteckige Querschnitte auf und durchlaufen die gesamte Dicke der Schicht 32. Die Schicht 32 ruht auf einer gemusterten Basisschicht 18. Die Basisschicht 18 ist ein zweites kristallines Gruppe III-Nitrid mit einer verschiedenen Legierungszusammensetzung als das erste Gruppe III-Nitrid. Die Basisschicht 18 richtet sich epitaxial auf der planaren Fläche 17 aus, um gruppe-III-metallpolar zu sein.
Für das Schichtenpaar 18 und 32 sind beispielhafte Paare zweiter und erster Gruppe III-Nitrid-Halbleiter: das Paar AlN und GaN oder das Paar AlN und AlGaN.
Die Schicht 32 weist eine Dicke auf, die typischerweise 100–10.000 mal die Dicke der Basisschicht 18 ist. Eine beispielhafte GaN-Schicht 32 weist eine Dicke von 30 μm oder mehr auf und eine beispielhafte AlN-Basisschicht 18 weist eine Dicke von nur etwa 20 nm–30 nm auf. Die Basisschicht 18 muss nur dick genug sein, um die Polarisation einer anderen Schicht, die sich auf der Basisschicht 18 befindet, auszurichten.
In optischen Bauelementen, fungiert die Schicht 32 gewöhnlich als ein optischer Kern eines planaren Wellenleiters. Der Wellenleiter empfängt Eingangslicht 36 über eine Kante 37 und sendet Ausgangslicht 38 über eine gegenüberliegende Kante 39 aus. Eine derartige Kantenkopplung der Schicht 32 an Lichtleitfasern und andere optische Wellenleiter ist effizienter für Ausführungsformen, wobei die Schicht 32 dicker ist. Es ist daher vorteilhaft, dass die Schicht 32 verhältnismäßig dick sein kann, d.h. 30 μm oder mehr, da eine derartige dickere Schicht 32 eine effiziente Endkopplung an Standardlichtleitfasern und -wellenleiter ermöglicht.
Die gemusterte dicke Schicht 32 kann z.B. eine dicke photonische Bandlückenstruktur sein. Dicke photonische Bandlückenstrukturen stellen eine effizientere optische Kantenkopplung bereit als dünnere photonische Bandlückenstrukturen, die durch Trockenätzen hergestellt werden können.
Die 2A und 2B zeigen zwei beispielhafte planare photonische Bandlückenstrukturen 30A, 30B. Querschnittsansichten durch die Strukturen 30A und 30B sind in 2 getreu dargestellt. Die Strukturen 30A und 30B umfassen eine Schicht 32 eines metallpolaren Gruppe III-Nitrids, d.h. (0 0 0 1)-Ebene-Gruppe III-Nitrids. Die Schicht 32 befindet sich auf der oberen Fläche des kristallinen Substrats 12, das in 2 gezeigt ist. Die Schicht 32 ist durch eine Anordnung von im Wesentlichen identischen säulenförmigen Merkmalen 34A, 34B gemustert. Die säulenförmigen Merkmale 34A, 34B sind Löcher und Gräben in den Strukturen 30A bzw. 30B.
Die Löcher 34A und Gräben 34B bilden regelmäßige Anordnungen, die ein bzw. zwei diskrete Gittersymmetrien aufweisen. Aus diesem Grund produzieren die Löcher 34A und Gräben 34B entsprechende 2-dimensionale und 1-dimensionale periodische Modulationen des Brechungsindexes der Schicht 32. Die Brechungsindexmodulationen produzieren eine photonische Bandlückenstruktur für ausgewählte Gitterlängen in den Anordnungen. Gitterlängen, die ungerade ganzzahlige Mehrfache von ¼-mal der effektiven Wellenlänge des Eingangslichts in dem Medium sind, produzieren photonische Bandlückenstrukturen.
2C zeigt eine photonische Bandlückenstruktur 30C, die der photonischen Bandlückenstruktur 30A von 2A ähnelt, mit der Ausnahme, dass die Löcher und die Gruppe III-Nitrid-Materialschicht vertauscht sind. In der Struktur 30C ist die Schicht 32C des Gruppe III-Nitrids eine zweidimensionale Anordnung isolierter Säulen. Zwischen den Gruppe III-Nitrid-Säulen ist ein miteinander verbundenes zweidimensionales Muster der Gräben 34C. Die Gräben 34C isolieren die Säulen von einander.
3 veranschaulicht ein Verfahren 40 zum Fertigen einer Struktur mit einer gemusterten Schicht eines Gruppe III-Nitrids, z.B. wie in 1A–1B, 2, 2A oder 2B gezeigt.
Das Verfahren 40 umfasst das Bilden einer ersten Metallpolaritätsschicht eines ersten Gruppe III-Nitrids auf einer ausgewählten planaren Fläche eines kristallinen Substrats (Schritt 42). Das Bilden der Schicht umfasst das Ausführen eines epitaxialen Wachstums eines ersten Gruppe III-Nitrids und lithographisches Mustern der Schicht. Die Zusammensetzung des ersten Gruppe III-Nitrids wird ausgewählt, um zu gewährleisten, dass das epitaxiale Wachstum eine Metallpolaritätsschicht produziert. Das Mustern produziert ein regelmäßiges Muster identischer Löcher oder Gräben, die einen Teil des Substrats durch die Schicht bloßlegen.
Als nächstes umfasst das Verfahren 40 das epitaxiale Wachsen einer dickeren zweiten Schicht eines zweiten Gruppe III-Nitrids über der ersten Schicht und dem bloßgelegten Teil des Substrats (Schritt 44). Über der ersten Schicht wächst die zweite Schicht mit Metallpolarität. Über dem bloßgelegten Teil des Substrats wächst die zweite Schicht mit N-Polarität. Das erste und das zweite Gruppe III-Nitrid weisen verschiedene Legierungszusammensetzungen auf, z.B. AlN und GaN, und weisen eine breite Gitterfehlanpassung mit dem Substrat auf.
Schließlich umfasst das Verfahren 40 auch das Aussetzen der zweiten Schicht einer wässrigen Lösung einer starken Base, wie Kaliumhydroxid (KOH) oder Natriumhydroxid (NaOH) (Schritt 46). Die wässrige Lösung mustert die zweite Schicht durch selektives Ätzen N-polarer Oberflächen. Wässrige Lösungen starker Basen ätzen metallpolare Oberflächen von Gruppe III-Nitriden nicht bedeutsam. Die Form der Musterung hängt qualitativ von der Ätzzeit und der Konzentration des Ätzmittels ab.
4 ist eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (SEM) einer polaritätsgestreiften GaN-Schicht 50, die mit einer 2 molaren wässrigen Lösung von KOH für 45 Minuten nassgeätzt wurde. Die GaN-Schicht wurde bei einer Temperatur von etwa 90 °C während des Nassätzens gehalten.
Die geätzte GaN-Schicht 50 weist N-polare GaN-Streifen 52 und Ga-polare GaN-Streifen 54 auf. Die verhältnismäßig kurze Ätzzeit hat erhebliches Material von den N-polaren GaN-Streifen 52 entfernt, ohne erhebliches Material von den Ga-polaren GaN-Streifen 54 zu entfernen. In den N-polaren Streifen 52 produziert das Ätzen eine Oberfläche, die aus dicht gepackten hexagonalen GaN-Pyramiden, z.B. wie in 1B gezeigt, gebildet wird. Die Pyramiden weisen verschiedene Größen und scharfe apikale Spitzen mit Durchmessern von etwa 20–30 nm oder weniger auf.
Messungen deuten darauf hin, dass die Pyramidendichte, ρ_Δ, mit der Ätztemperatur, T, variiert, da:
[ρ_Δ]^–1 = [ρ_Δ]^–1exp(–E_a/k_BT), wobei k_B die Boltzmann-Konstante ist. Für eine 2 molare Lösung von KOH, eine Ätzung von 15 Minuten und Temperaturen zwischen 25 °C und 100 °C zeigen Messungen, dass die Aktivierungsenergie E_a gleich etwa 0,587 eV ist.
Die Erfinder glauben, dass das nasse KOH-Ätzen eine Verteilung von gepackten hexagonalen GaN-Pyramiden zum Teil aufgrund der Ga-polaren GaN-Streifen 54, die nicht geätzt werden, produziert. Insbesondere begrenzen die Ga-polaren Streifen die N-polaren Streifen 52 lateral, sodass das Ätzmittel die obere Fläche der N-polaren Streifen 52 attackiert anstatt deren Seitenflächen. Das KOH-Nassätzen produziert eine dichte Packung scharfspitziger hexagonaler GaN-Pyramiden, wenn die N-polaren GaN-Streifen 52 Breiten von etwa 7 μm aufweisen. Man nimmt an, dass eine dichte Packung hexagonaler Pyramiden auch aus einem nassen KOH-Ätzen von GaN-Flächen resultiert, wobei N-polare GaN-Streifen eine Breite von etwa 100 μm oder weniger aufweisen. Man nimmt jedoch nicht an, dass ein nasses KOH-Ätzen von nicht begrenztem planarflächigen N-polaren GaN eine dichte Packung von scharfspitzigen, hexagonalen GaN-Pyramiden produziert.
5 ist ein SEM-Bild, das eine polaritätsgestreifte GaN-Schicht 50 zeigt, die mit einer 4 molaren wässrigen Lösung von KOH für 60 Minuten nassgeätzt wurde. Die GaN-Schicht wurde wiederum bei einer Temperatur von etwa 90 °C während des Nassätzens gehalten.
Das intensivere Ätzen hat das gesamte Material von den N-polaren GaN-Streifen 52 entfernt, mit Ausnahme isolierter hexagonaler GaN-Pyramiden 56. Das Nassätzen stoppte auf dem unterliegenden kristallinen Saphirsubstrat. Dieses Ätzen mittlerer Länge produzierte eine Musterung wie die von 1A, mindestens innerhalb einzelner N-polarer GaN-Streifen 52. Innerhalb dieser Bereiche weisen die hexagonalen GaN-Pyramiden 56 eine willkürliche Verteilung auf.
6 ist ein SEM-Bild einer polaritätsgestreiften GaN-Schicht 50, die mit einer 4 molaren wässrigen Lösung von KOH für mehr als 60 Minuten nassgeätzt wurde. Die GaN-Schicht wird wiederum bei einer Temperatur von etwa 25 °C–125 °C und vorzugsweise etwa 90 °C während des Nassätzens gehalten.
Dieses längere Ätzen hat die ursprünglichen N-polaren GaN-Streifen 52 vollständig entfernt. Als Ergebnis separieren im Wesentlichen vertikale Gräben die nicht geätzten Ga-polaren Streifen 54. Die Seitenwände der Ga-polaren Streifen 54 sind nicht völlig vertikal, da das Nassätzmittel langsam die Seitenwände der Ga-polaren GaN-Schichten attackiert. Wässrige Lösungen mit höheren Konzentrationen an KOH als 4 molar neigen dazu, bloßgelegte Seiten- und Endflächen der Ga-polaren Streifen 54 zu erodieren. Die resultierende Struktur weist eine gemusterte Ga-polare Schicht eines Gruppe III-Nitrids wie Strukturen 30, 30A und 30B der 2, 2A und 2B auf.
7 veranschaulicht ein Verfahren 60 zum Fertigen von GaN-Strukturen, die mechanisch gemustert werden, wie in den 1A, 1B, 2, 2A und 2B. Das Verfahren 60 umfasst das Herstellen eines planaren Saphir-Wachstumssubstrats (Schritt 62), das Wachsen und Mustern einer Ga-polaritätsausrichtenden Schicht auf dem Substrat (Schritt 64) und das epitaxiale Wachsen einer polaritätsgemusterten GaN-Schicht über der ausrichtenden Schicht (Schritt 66). Das Verfahren 60 umfasst auch das Nassätzen der GaN-Schicht, um mechanische Musterung durch selektives Entfernen von GaN in den N-Phase-Bereichen zu produzieren (Schritt 68).
In Schritt 62 umfasst das Herstellen des Saphir-Wachstumssubstrats das Reinigen einer Fläche der (0 0 0 1)-Ebene eines kristallinen Saphirsubstrats. Das Reinigen umfasst das Waschen der Fläche für 1 Minute in einer wässrigen Reinigungslösung. Das Mischen einer ersten wässrigen Lösung mit etwa 96 Gew.-% H₂SO₄ mit einer zweiten wässrigen Lösung mit etwa 30 Gew.-% H₂O₂ produziert die wässrige Reinigungslösung. Während des Mischens werden etwa 10 Volumenteile der ersten Lösung mit einem Volumenteil der zweiten Lösung vereinigt. Das Reinigen umfasst auch das Abspülen der gewaschenen Fläche mit entionisiertem Wasser und dann Schleudertrocknen des Saphir-Wachstumssubstrats.
In Schritt 62 umfasst das Herstellen des Wachstumssubstrats auch das Entgasen des Saphirsubstrats in der Pufferkammer eines Molekularstrahlepitaxie-(MBE)-systems bei etwa 200 °C. Das Entgasen dauert an, bis der Kammerdruck unterhalb etwa 6,7 × 10^–7 Pa (5 × 10^–9 Torr) liegt. Nach dem Entgasen wird das Saphirsubstrat in die Wachstumskammer des plasmaunterstützten MBE-Systems transferiert.
In Schritt 64 umfasst das Wachsen und Mustern einer Ga-polaritätsausrichtenden Schicht das Durchführen eines MBE-Wachstums einer AlN-Schicht auf dem Saphirsubstrat. (Unterschritt 64a). Um das MBE-Wachstum durchzuführen, wird die Temperatur der Wachstumskammer bei einer Geschwindigkeit von etwa 8 °C pro Minute auf eine Endtemperatur von etwa 720 °C erhöht. Das Saphirsubstrat wird bei einer einheitlichen Temperatur mit Hilfe einer 300 nm dicken Schicht aus Titan, die auf der Rückseitenfläche aufgebracht ist, gehalten.
Das MBE-System wächst die AlN-Schicht zu einer Dicke von etwa 20 nm bis 30 nm. Diese dünne AlN-Schicht ist ausreichend dick, um die gesamte bloßgelegte Fläche des Saphirsubstrats zu bedecken. In dem Molekularstrahlepitaxiesystem Modell 32P, hergestellt von der Firma Riber aus 133 Boulevard National, Boite Postale 231, 92503 Rueil Malmaison, Frankreich, sind die Wachstumsbedingungen: Al-Effusionszellentemperatur von etwa 1050 °C, Stickstoff-Strömungsgeschwindigkeit von etwa 2 sccm und einer HF-Leistung von etwa 500 Watt (W).
In Schritt 64 umfasst das Bilden der gemusterten AlN-Schicht 12 das Durchführen eines MBE-Wachstums von etwa 50 nm an schützendem GaN auf der bereits gewachsenen AlN-Schicht (Unterschritt 64b). Die GaN-Schicht schützt das unterliegende AlN vor Oxidation während der anschließenden Entfernung des Substrats aus der MBE-Wachstumskammer. Die Wachstumsbedingungen für die GaN-Schicht ähneln denen für das MBE-Wachstum der AlN-Schicht, mit der Ausnahme, dass die Temperatur in der Ga-Effusionszelle anstatt in der Al-Effusionszelle erhöht wird. Während dieses Wachstums weist die Ga-Effusionszelle eine Temperatur von etwa 1000 °C bis etwa 1020 °C auf.
Nach dem Abkühlen des Saphirsubstrats auf etwa 200 °C wird die GaN/AlN-Schicht mit einer regelmäßigen Anordnung von Fenstern, die gewählte Teile des Saphirsubstrats bloßlegen, lithographisch gemustert (Unterschritt 64c). Der Musterungsschritt umfasst das Bilden einer Photoresistmaske auf der GaN-Schicht und dann Durchführen eines herkömmlichen chlorbasierenden Plasmaätzens, um nicht maskierte Teile der GaN/AlN-Schicht zu entfernen. Beispielhafte Bedingungen für das Plasmaätzen sind: Leistung der HF-Quelle von etwa 300–500 Watt, Vorspannung der Quelle von 100 Volt bis 200 Volt, Chlor-Argon-Strömungsgeschwindigkeit von etwa 10–25 sccm (wobei 20 % bis 50 % der Strömung Argon ist) und ein Gasdruck von etwa 0,13 Pa (1 Millitorr) bis etwa 1,3 Pa (10 Millitorr). Das Plasmaätzen produziert ein vorgewähltes Muster von GaN-bedeckten AlN-Bereichen.
Nach dem Plasmaätzen wird das Saphirsubstrat mit einem Muster von GaN-bedeckten AlN-Bereichen in einer wässrigen Lösung von HCl gereinigt, in entionisiertem Wasser abgespült und mit Stickstoff trocken geblasen. Diese wässrige Reinigungslösung umfasst zwischen etwa 36,5 Gew.-% HCl und etwa 48 Gew.-% HCl. Die oben beschriebenen Schritte werden dann wieder verwendet, um das Saphirsubstrat erneut in das MBE-System einzuführen.
In Schritt 66 umfasst das epitaxiale Wachsen einer GaN-Schicht das Durchführen eines plasmaverstärkten MBE-Wachstums einer GaN-Schicht zu einer Dicke von etwa 2 μm oder mehr. Während des MBE-Wachstums sind die Systembedingungen: Ga-Effusionszellentemperatur von etwa 1000 °C bis etwa 1020 °C, Stickstoff-Strömungsgeschwindigkeit von etwa 2 sccm und HF-Leistung von etwa 500 Watt (W). Während dieses Wachstums initiieren die GaN-bedeckten AlN-Bereiche das Wachstum des Ga-polaren GaN und die bloßgelegten Bereiche des Saphirsubstrats 10 initiieren das Wachstum des N-polaren GaN.
In Schritt 68 umfasst das anisotrope Nassätzen das Eintauchen der GaN-Schicht und des Substrats in eine wässrige Lösung von KOH. Beispielhafte Nassätzungen verwenden 1 bis 4 molare wässrige Lösungen von KOH und Ätzzeiträume von etwa 15 Minuten bis 60 Minuten bei Temperaturen von 100 °C. Die Konzentration von KOH und die Ätzzeit bestimmen die qualitative Form der resultierenden mechanischen Musterung, wie in den 4–6 veranschaulicht. Die Nassätzung entfernt selektiv GaN mit N-Polarität. Dennoch können Nassätzungen mit basischeren wässrigen Lösungen als 4 molares KOH die Endflächen der Ga-polaren Bereiche der ursprünglichen GaN-Schicht erodieren.

Claims

Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines kristallinen Substrats (12) mit einer planaren Fläche (17); Bilden einer ersten Schicht (18) eines ersten Gruppe III-Nitrids auf der planaren Fläche, wobei die erste Schicht eine einfache Polarität und ein Muster aus Löchern oder Gräben, die einen Teil des Substrats bloßlegen, aufweist; dann epitaxiales Wachsen einer zweiten Schicht (15, 16; 32) eines zweiten Gruppe III-Nitrids auf der ersten Schicht und dem bloßgelegten Teil des Substrats, wobei das erste und das zweite Gruppe III-Nitrid verschiedene Legierungszusammensetzungen aufweisen, wobei der Teil der zweiten Schicht über der ersten Schicht Metallpolarität aufweist und der Teil der zweiten Schicht auf dem Substrat N-Polarität aufweist; und Aussetzen der zweiten Schicht einer wässrigen Lösung einer Base, um die zweite Schicht mit einem Muster zu versehen, um eine Anordnung von Deformationen darin aufzuweisen, wobei die Lösung selektiv N-polare Flächen der zweiten Schicht ätzt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die einfache Polarität eine Gruppe III-Metallpolarität ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zweite Schicht aus einem ersten und einem zweiten Bereich besteht, wobei sich der erste Bereich auf dem bloßgelegten Teil des Substrats befindet, und sich der zweite Bereich auf der ersten Schicht befindet; und wobei das Aussetzen Pyramiden in einem des ersten und zweiten Bereichs produziert und eine glatte Schicht in dem anderen des ersten und zweiten Bereichs produziert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Aussetzen eine Anordnung von säulenförmigen Löchern oder Gräben in der zweiten Schicht eines zweiten Gruppe III-Nitrids produziert.
Vorrichtung, umfassend: ein kristallines Substrat (12) mit einer planaren Fläche (17); eine Schicht (18) eines ersten Gruppe III-Nitrids, die sich auf der planaren Fläche befindet, wobei die Schicht eine Anordnung von Deformationen darin aufweist; und eine Schicht (15, 16; 32) eines zweiten Gruppe III-Nitrids, die sich auf der Schicht eines ersten Gruppe III-Nitrids befindet, wobei die Schicht eines zweiten Gruppe III-Nitrids ein Muster aus säulenförmigen Löchern oder Gräben darin aufweist; und wobei die Löcher oder Gräben eine regelmäßige Anordnung bilden; und wobei das erste und das zweite Gruppe III-Nitrid verschiedene Legierungszusammensetzungen aufweisen, wobei die zweite Schicht Metallpolarität aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Bodenflächen mindestens einiger der Löcher oder Gräben die planare Fläche kontaktieren.
Vorrichtung nach Anspruch 5, die ferner umfasst: mehrere pyramidale Feldemitter des zweiten Gruppe III-Nitrids, die sich in den säulenförmigen Löchern oder Gräben befinden; und wobei die Schicht des zweiten Gruppe III-Nitrid-Halbleiters frei von pyramidalen Oberflächenstrukturen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das erste Gruppe III-Nitrid Aluminium umfasst und das zweite Gruppe III-Nitrid Gallium umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die ferner umfasst: einen Leuchtschirm, der positioniert ist, um Elektronen aufzunehmen, die von den pyramidalen Feldemittern ausgesandt werden; und mehrere Steuerelektroden, die sich zwischen der Schicht des zweiten Gruppe III-Nitrids und dem Leuchtschirm befinden.