WO2003054921A2 - Verfahren zum herstellen von iii-v-laserbauelementen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for producing III-V laser components, a III-V semiconductor layer being formed on a silicon substrate in a process chamber of a reactor from gaseous starting materials, for example trimethyl gallium, trimethyl indium, trimethyl aluminum, phosphine or arsine. For example, gallium nitride is deposited.
  • III-nitride semiconductors on foreign substrates such as Sapphire, silicon carbide or silicon is inexpensive because this substrate material is less expensive than III-V substrate material.
  • the lattice mismatch of the layer on the substrate is problematic.
  • gallium nitride grows rotated by 30 ° to the sapphire and thus reduces part of the lattice mismatch. Due to this twisted growth, there is no common direction of fracture or splitting of the layer relative to the substrate.
  • the break line generally runs along the break line or split line of the substrate, because it is considerably thicker than the layer deposited thereon.
  • the invention has for its object to provide an inexpensive method to produce high quality lasers.
  • the object is achieved by the invention specified in the claims, the main focus being on first depositing an aluminum-containing buffer layer onto a Si substrate, in particular an Si (III) substrate. This is done using MOCVD.
  • This buffer layer can consist of aluminum nitride and can be 20 to 100 ran thick.
  • the active III-V layer, preferably a III-nitride layer and particularly preferably a gallium nitride layer or a sequence of such layers for component layers is then deposited onto this buffer layer in the same reactor, preferably without further intermediate steps, in such a way that the lattice plane of the Layer runs parallel to the splitting direction of the substrate.
  • the break When the substrate is broken, the break then takes place along a crystallographically suitable surface.
  • the break occurs essentially along a plane.
  • the fracture or gap lines of the Si (III) substrate can then be selected so that plane-parallel layer fracture surfaces are created. These layer fracture areas then form the laser facets.
  • the laser facets thus result from only breaking or splitting. This is possible because the crystallographic fracture direction of the silicon substrate and the gallium nitride-based structure coincide.
  • the aluminum-containing germ layer is essential. With a seed layer of this type, it is even possible to deposit gallium nitride adapted to the direction of fracture on Si (001). The only problem here is the lack of a common crystal symmetry.
  • electrically active layers can be deposited onto the layer sequence described above. It is essential, however, that the hexagonal crystal of gallium nitride is deposited on the cubic crystal lattice of silicon with a corresponding crystal orientation in such a way that the natural fracture directions of the two crystals are in the plane coincide in such a way that only breaking the substrate along the natural break lines creates plane-parallel laser facets.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von III-V-Laserbauelementen, wobei in einer Prozesskammer eines Reaktors aus gasförmigen Ausgangsstoffen auf einem Siliziumsubstrat eine III-V-Halbleiterschicht abgeschieden wird. Um ein preisgünstiges Verfahren zur Herstellung qualitativ hochwertiger Laser anzugeben, schlägt die Erfindung vor, dass auf das Si-Substrat, insbesondere Si(111)-Substrat zunächst eine Al-haltige Pufferschicht abgeschieden wird, auf welche dann die III-V-Halbleiterschicht, insbesondere GaN-Schicht derart abgeschieden wird, dass ihre Gitterebene parallel zur Spaltrichtung des Substrates verläuft, so dass sich beim Spalten des Substrates planparallele Schichtbruchflächen ausbilden.

Description

Verfahren zum Herstellen von Ill-V-Laserbauelementen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von III-V- Laserbauelementen, wobei in einer Prozesskammer eines Reaktors aus gasf ör- migen Ausgangsstoffen, bspw. Trimethylgallium, Trimethylindium, Trimethy- laluminium, Phosphin oder Arsin auf einem Siliziumsubstrat eine III- V- Halbleiterschicht, bspw. Galliumnitrid abgeschieden wird.
Die Abscheidung von III-Nitridhalbleitern auf Fremdsubstraten wie z.B. Saphir, Siliziumcarbit oder Silizium ist kostengünstig, da dieses Substratmaterial preisgünstiger ist, als III-V-Substratmaterial. Problematisch ist dabei allerdings die Gitterfehlanpassung der Schicht auf dem Substrat. Durch geeignete Wahl des Substratmaterials zum Schichtmaterial kann hier eine Anpassung stattfinden, so wächst bspw. Galliumnitrid um 30° verdreht zum Saphir und baut so einen Teil der Gitterfehlanpassung ab. Durch dieses verdrehte Wachstum fehlt aber eine gemeinsame Bruch- bzw. Spaltrichtung der Schicht zum Substrat. Die Bruchlinie verläuft in der Regel entlang der Bruchlinie bzw. Spaltlinie des Substrates, weil dieses erheblich dicker ist, als die darauf abgeschiedene Schicht. Im zuvor beschriebenen Fall führt dies zu einer rauen Laserfacette, die nachgearbeitet werden muss. Auch bei einer bspw. nass-chemischen Nachbehandlung entstehen bei derartig gefertigten Laserspiegeln ungewünschte Verluste. Die Rauig- keit der Laserspiegel oder nicht exakt ausgerichtete Facetten, führen zu Verlusten und bedingen dadurch einen hohen Schwellstrom verbunden mit einer erhöhten thermischen Belastung beim späteren Bauelement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein preisgünstiges Verfahren anzugeben, um qualitativ hochwertige Laser herzustellen. Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei im Wesentlichen darauf abgestellt wird, dass auf ein Si-Substrat, insbesondere ein Si(lll)-Substrat zunächst eine aluminiumhaltige Pufferschicht abgeschieden wird. Dies erfolgt mittels MOCVD. Diese Pufferschicht kann aus Aluminiumnitrid bestehen und 20 bis 100 ran dick sein. Auf diese Pufferschicht wird sodann im selben Reaktor, bevorzugt ohne weitere Zwischenschritte die aktive III-V-Schicht, bevorzugt eine III-Nitrid-Schicht und besonders bevorzugt eine Galliumnitrid-Schicht bzw. eine Folge derartiger Schichten für Bauelementeschichten derart abgeschieden, dass die Gitterebene der Schicht parallel ver- läuft zur Spaltrichtung des Substrates. Beim Brechen des Substrates erfolgt der Bruch dann entlang einer kristallographisch geeigneten Fläche. Der Bruch erfolgt im Wesentlichen entlang einer Ebene. Es lassen sich dann die Bruch- bzw. Spaltlinien des Si(lll)-Substrates so wählen, dass planparallele Schichtbruchflächen entstehen. Diese Schichtbruchflächen bilden dann die Laserfacetten aus. Die Laserfacetten entstehen somit durch ledigliches Brechen bzw. Spalten. Dies ist dadurch möglich, dass die kristallographische Bruchrichtung des Siliziumsubstrates und der galliumnitridbasierten Struktur zusammenfallen.
Wesentlich ist die aluminiumhaltige Keimschicht. Mit einer derartigen Keim- schicht lässt sich sogar bruchrichtungsangepasstes Galliumnitrid auf Si (001) abscheiden. Problematisch ist hier lediglich das Fehlen einer gemeinsamen Kristallsymmetrie.
Auf die zuvor beschriebene Schichtenfolge können bedarfsweise weitere, insbe- sondere elektrisch aktive Schichten abgeschieden werden. Wesentlich ist aber, dass auf das kubische Kristallgitter des Siliziums bei einer entsprechenden Kristallorientierung das hexagonale Kristall von Galliumnitrid derart abgeschieden wird, dass die natürlichen Bruchrichtungen der beiden Kristalle in der Ebene derart zusammenfallen, dass durch ledigliches Brechen des Substrates entlang der natürlichen Bruchlinien planparallele Laserfacetten entstehen.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

ANSPRUCHE
1. Verfahren zum Herstellen von III-V-Laserbauelementen, wobei in einer Prozesskammer eines Reaktors aus gasförmigen Ausgangsstoffen auf einem Sili- ziumsubstrat eine III-V-Halbleiterschicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Si-Substrat, insbesondere Si(lll)-Substrat zunächst eine Al-haltige Pufferschicht abgeschieden wird, auf welche dann die III-V-Halbleiterschicht, insbesondere GaN-Schicht derart abgeschieden wird, dass ihre Gitterebene parallel zur Spaltrichtung des Substrates verläuft, so dass sich beim Spalten des Substrates planparallele Schichtbruchflächen ausbilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht aus A1N oder A1N unter Zusatz eines oder mehreren weiteren Elemente der Gruppe III oder V besteht.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferschicht eine III-V-Halbleiterschicht und zwischen 20 und 100 nm dick ist.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass auf die, insbesondere Galliumnitrid-Schicht, weitere, insbesondere aktive Schichten abgeschieden werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten im MOCVD-Verfahren, im VPE- Verfahren oder im MBE- Verfahren abgeschieden werden.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesonder danach, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Pufferschicht Bauelementeschichtenf olgen abgeschieden werden.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Bauelemente- schichtenfolgen Bauelemente gefertigt werden.
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