WO2007063085A1 - Verfahren zum herstellen eines halbleiterbauelementes - Google Patents

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WO2007063085A1
WO2007063085A1 PCT/EP2006/069083 EP2006069083W WO2007063085A1 WO 2007063085 A1 WO2007063085 A1 WO 2007063085A1 EP 2006069083 W EP2006069083 W EP 2006069083W WO 2007063085 A1 WO2007063085 A1 WO 2007063085A1
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compound semiconductor
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Tomohiro Yamaguchi
Detlef Hommel
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Universität Bremen
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    • H01S5/00—Semiconductor lasers
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    • H01L33/0062—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H01L33/007—Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
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    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • H01S5/3412—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires quantum box or quantum dash

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a semiconductor device, in particular a laser diode, in which a second layer of the compound semiconductor is applied to a first layer of a compound semiconductor having a first component and a second component, in addition to the first component and the second component comprises a first portion of a third component, and wherein a third layer of the compound semiconductor is applied to the second layer.
  • compound semiconductors are used. These are semiconductors, which are generally composed of components of the elements of III. and V. main chemical group, so-called III-V semiconductors or components of the elements of IL and VI. main group of chemicals, so-called II-VI semiconductors, and their mixed crystals.
  • III-V semiconductors or components of the elements of IL and VI. main group of chemicals, so-called II-VI semiconductors, and their mixed crystals.
  • II-VI semiconductors in order to set the desired properties, in particular for selecting the light color emitted by a light-emitting diode or a laser diode, mixed crystals are frequently used in which the first component and / or the second component consist of several elements of the respective main groups of the periodic table.
  • Q ⁇ antenum Dot QD Q ⁇ antum Dot QD
  • Q ⁇ antentician QD Q ⁇ antum Dot QD
  • the fact is exploited that compound semiconductors such as InGaN tend in epitaxial growth for island formation. If, for example, another layer of InGaN indium gallium nitrite, in which part of the gallium atoms has been replaced by indium atoms, is applied to one layer of GaN gallium nitrite, it is easy to form island-like structures of the InGaN produce.
  • the point-like potential well located in the region of these islands can advantageously be used for laser diodes.
  • the problem with this method is that to ensure good crystal properties, the application of the capping layer at relatively high temperatures is required. At these high temperatures, however, the indium on the islands tends to diffuse into the capping layer, which in turn can cause the islands to revert. In extreme cases, before applying the capping layer, existing islands may have completely disappeared after covering with the capping layer.
  • the problem underlying the invention is to provide a method for producing a semiconductor device, which can be used to produce semiconductor devices with Q ⁇ antentician füren in high Q ⁇ gleich, reliable, reproducible and good crystal properties of the semiconductor device.
  • the compound semiconductor for the third layer except the first component and the second component for generating islands of the second layer when applying the third layer comprises a second portion of the third component
  • the third layer contains a portion of the third component, at relatively high temperatures, this third layer can be applied, as diffused from the islands atoms of the third component by diffusing from the third layer into the islands into atoms the third component can be compensated.
  • the layer thickness of the second layer, the first portion and the second portion can be chosen so that the islands are formed in the first place by the diffusion of the atoms of the third component of the third layer in the second layer. Because the diffusion of the atoms of the third component does not necessarily have to be avoided in the method according to the invention, crystals with good crystal properties can thereby be produced.
  • the method according to the invention can also be used for generating Q ⁇ antentician füren in elemental semiconductors.
  • a first semiconductor is used for the first and third layers
  • a second semiconductor is used for the second layer
  • the material for applying the third layer adjacent to the first semiconductor has a small amount of the second semiconductor for forming islands of the second layer when deposited the third layer contains.
  • another suitable substrate may be used for the first layer be used. What is important is a good growth behavior in accordance with the above explanations.
  • a development of the invention is characterized in that the first portion is 10% to 50%, preferably 20% to 25%.
  • the lattice constant of the compound semiconductor changes from the first layer to the second layer so that the desired growth conditions can be set.
  • the growth of the second layer takes place according to the so-called Stransky-Kastranow model, wherein first a layer-wise growth takes place and after an increase of about 2 to 3 monolayers island growth occurs due to the larger lattice constant of the compound semiconductor of the second layer compared to the first layer.
  • the second portion is smaller than the first portion.
  • the second proportion is 5% to 10%.
  • An advantageous embodiment of the invention is characterized in that the second layer is applied monolayer wise.
  • the layer thickness of the second layer can be 1 to 7 monolayers, preferably 2 monolayers.
  • the system is thus at the transition between the layered growth and the island growth, so that further atoms of the third component from the third layer when diffusing to the second layer produce the desired islands as Q ⁇ antentician für Inc.
  • Another development of the invention is characterized in that the second layer and / or the third layer at a temperature of 600 0 C to 820 0 C, preferably of 820 0 C is applied. At these high temperatures, layers of good quality and crystals of good crystal properties can be produced. Especially at 820 ° C., only very few defects occur in the crystal structure.
  • the second layer and / or the third layer are applied epitaxially.
  • this may be done by metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), molecular beam epitaxy (MBE) or hydride Vapor phase epitaxy (HVPE) take place.
  • MOVPE metal organic vapor phase epitaxy
  • MBE molecular beam epitaxy
  • HVPE hydride Vapor phase epitaxy
  • Layer has a layer thickness of 2-3 microns in particular 2.3 microns. If the first layer is produced with this layer thickness, it is well suited as a carrier material and is sufficiently robust for further processing.
  • the first layer is applied to a substrate.
  • a substrate for example, sapphire is suitable.
  • a sapphire (0001) surface can be used.
  • This sapphire substrate is well suited as a carrier material for the compound semiconductors and on the other hand has the required optical properties for producing, for example, a laser diode.
  • SiC, Si, GaN, and other support materials are suitable as substrates with a suitable growth behavior of the layers thereon.
  • the islands are generated on the second layer with an areal density of 10 8 to 10 9 per Q ⁇ adratzentimeter when applying the third layer.
  • the area number density of the islands is not less than 10 11th
  • the semiconductor components can be further miniaturized significantly, for example for communications technology.
  • Another embodiment of the invention is characterized in that is used as the compound semiconductor GaN with Ga as the first component and with N as the second component.
  • This GaN semiconductor is suitable for producing laser diodes that emit blue light. Because of its short wavelength, this blue light has the advantage that it can be used to produce, for example, optical-media read heads with a high storage density.
  • indium is used as the third component for generating InGaN as compound semiconductor. As a result, a shift of the emitted light in the green spectral range can be generated. At the same time, adding indium causes the lattice constant of the compound semiconductor crystal to increase, so that the desired island growth can be achieved.
  • Another aspect of the invention relates to a semiconductor device produced by the method according to the invention.
  • the semiconductor component may be, for example, a laser diode.
  • the invention relates to a single photon emitter.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a starting product for the production of a semiconductor device after a first production step
  • FIG. 2 shows the semiconductor device blank of FIG. 1 after a second production step
  • FIG. 4 shows the semiconductor device blank after application of a capping layer
  • Fig. 5 is a flow chart for illustrating the method according to the invention.
  • Fig. 1 shows a blank for a semiconductor device according to a first
  • the blank has a substrate 10 on which a base 11 is arranged as the first layer.
  • the substrate in the illustrated embodiment is sapphire (0001).
  • the first layer 11 arranged thereon, which is referred to below as the base 11, is formed from a compound semiconductor material in the embodiment shown.
  • the pad 11 is made of GaN which has been applied to the substrate 10 with good crystal properties.
  • the pad 11 has been grown at a growth temperature of 820 0 C by means of metal organic vapor phase epitaxy on the substrate 10. At this temperature, a good monocrystalline structure of GaN is formed
  • FIG. 2 shows the semiconductor device blank of FIG. 1 after a second production step.
  • a nucleation layer 12 is disposed on the substrate 11.
  • a compound semiconductor material InGaN in which 20% to 25% of the gallium atoms have been replaced by indium atoms, has been epitaxially grown on the substrate 11 by means of metal oxide vapor epitaxial epitaxy.
  • InGaN has a larger lattice constant than GaN, so when grown epitaxially InGaN on GaN the so-called Stransky-Kastranow growth is observed.
  • the InGaN on the GaN of the substrate 11 initially grows in the form of ordered monolayers.
  • the InGaN begin to grow on further layer application in the form of island growth, in which layers are not applied layer by layer, but rather individual islands grow without the underlying layers being filled up.
  • the nucleation layer 12 has been grown to a thickness of 2 to 3 monolayers, so that here first a layer-wise growth has taken place.
  • the layer thickness is 2 monolayers, so that islanding has not yet begun.
  • 3 shows the semiconductor device blank after a third production step. As can be seen from the figure, a formation layer 13 has been applied to the nucleation layer 12.
  • the formation layer 13 also consists in the embodiment shown of a compound semiconductor, namely InGaN, in which case also a proportion of gallium atoms has been replaced by indium atoms. Specifically, the proportion of the indium atoms of the compound semiconductor for the formation layer 13 is made smaller than that for the nucleation layer 12. In the embodiment shown, 5% to 10% of the gallium atoms have been exchanged for indium atoms for vapor deposition of the formation layer 13. The growth of the formation layer as well as the growth of the nucleation layer takes place in the embodiment shown at a temperature of 820 0 C, so that good crystal properties for the nucleation layer 12 as well as for the formation layer 13 result.
  • the indium atoms which are contained in a low concentration in the formation layer 13, can move through the formation layer 13 by means of diffusion.
  • the indium atoms of the formation layer 13 accumulate in the region of the interface with the nucleation layer 12, resulting in islands 14 on the nucleation layer 12.
  • the lattice constant of the InGaN of the nucleation layer 12 is larger than that of the GaN of the underlayer 11, while the lattice constant of the InGaN of the formation layer 13 is smaller than that of the nucleation layer 12 and larger than that of the underlayer 11.
  • FIG. 4 shows the semiconductor device blank with applied capping layer 15.
  • a capping layer 15 has been applied to the formation layer 13.
  • the capping layer 15 is made of a compound semiconductor, namely, GaN.
  • the Capping Junior 15 can be applied also at a high temperature, namely at 820 0 C on the formation layer 13, so that good crystal structures result.
  • Fig. 5 shows a flow chart of the method with the features of the invention.
  • step S10 the process is started.
  • step Si l the production of a pad.
  • a substrate in the sense of step Si l both the substrate 10 as well as the base 11 of Fig. 3 can be prepared.
  • step S 12 follows.
  • the nucleation layer 12 is applied to the substrate. This takes place, as already explained above with reference to FIGS. 1 to 4, by growing the compound semiconductor in the area of layer-wise growth.
  • the layer thickness is chosen so that the critical thickness is exceeded for the transition of the growth to three-dimensional island growth.
  • step S 13 the formation layer 13 on the
  • Nucleation layer 12 grown. This again occurs epitaxially at high temperature to produce a good crystal structure.
  • the islands 14 are formed by diffusion of the indium atoms at the interface to the nucleation layer 12.
  • the islands 14 by the remaining GaN layer of the formation layer 13th covered and thus protected.
  • Formation layer 13 grown, whereby the island structure is protected and ready for further use. Subsequently, the process in step S 15 is ended.
  • the method according to the invention can be repeated in layers successively as many times as it meets the requirements. For example, for a single photon emitter, one layer will suffice Q ⁇ antene, while laser diodes stack with three to twelve layers are required.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer Laserdiode, bei dem auf eine erste Schicht (11) eines Verbindungshalbleiters mit einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente eine zweite Schicht (12) des Verbindungshalbleiters aufgebracht wird, die außer der ersten Komponente und der zweiten Komponente einen ersten Anteil einer dritten Komponente aufweist, und bei dem auf die zweite Schicht (12) eine dritte Schicht (13) des Verbindungshalbleiters aufgebracht wird, läßt sich ein unkontrolliertes Zuschütten einer Inselstruktur der zweiten Schicht (12) dadurch vermeiden, daß der Verbindungshalbleiter für die dritte Schicht (13) außer der ersten Komponente und der zweiten Komponenten zum Erzeugen von Inseln (14) der zweiten Schicht (12) beim Aufbringen der dritten Schicht (13) einen zweiten Anteil der dritten Komponente aufweist.

Description

Beschreibung Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer Laserdiode, bei dem auf eine erste Schicht eines Verbindungshalbleiters mit einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente eine zweite Schicht des Verbindungshalbleiters aufgebracht wird, die außer der ersten Komponente und der zweiten Komponente einen ersten Anteil einer dritten Komponente aufweist, und bei dem auf die zweite Schicht eine dritte Schicht des Verbindungshalbleiters aufgebracht wird.
[0002] Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie insbesondere Laserdioden, werden sogenannte Verbindungshalbleiter verwendet. Das sind Halbleiter, die im allgemeinen aus Komponenten der Elemente der III. und V. chemischen Hauptgruppe, sogenannte III-V-Halbleiter oder Komponenten der Elemente der IL und VI. chemischen Hauptgruppe, sogenannte II-VI-Halbleiter, sowie deren Mischkristallen bestehen. Zur Einstellung der gewünschten Eigenschaften, insbesondere zur Auswahl der von einer Leuchtdiode oder einer Laserdiode ausgesendeten Lichtfarbe werden häufig Mischkristalle verwendet, bei denen die erste Komponente und/oder die zweite Komponente aus mehreren Elementen der jeweiligen Hauptgruppen des Periodensystems bestehen. Beispielsweise ist bei dem Verbindungshalbleiter InGaN Indium Gallium Nitrit ein Teil der Galliumatome der Kristallstruktur durch Indiumatome ersetzt worden. Dies hat einerseits Einfluß auf die Gitterkonstante und andererseits auf die Größe der Energielücke zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband des Verbindungshalbleiters, was wiederum die Lichtfarbe des emittierten Lichtes beeinflußt. Um der fortschreitenden Miniaturisierung in der Optoelektronik und der Nachrichtentechnik und dem Bedarf an steigender Speicherdichte Rechnung zu tragen, ist es wünschenswert, die Halbleiterbauelemente, insbesondere die Laserdioden immer weiter zu verkleinern. Zu diesem Zweck sind beispielsweise für im infraroten Spektralbereich emittierende Laserdioden sogenannte Qαantenpunktstrukturen (Qαantum Dot QD) vorgeschlagen worden. Bei diesen Qαantenpunktstrukturen wird die Tatsache genutzt, daß Verbindungshalbleiter wie beispielsweise InGaN beim epitaktischen Schichtwachstum zur Inselbildung neigen. Wird beispielsweise auf eine Schicht GaN Galliumnitrit eine weitere Schicht InGaN Indiumgalliumnitrit, bei der ein Teil der Galliumatome durch Indiumatome ersetzt worden sind, aufgebracht, so lassen sich leicht inselartige Strukturen des InGaN erzeugen. Deckt man diese inselartigen Strukturen anschließend mit einer sogenannten Cappingschicht aus GaN Galliumnitrit ab, so läßt sich der im Bereich dieser Inseln lokalisierte punktartige Potentialtopf vorteilhaft für Laserdioden verwenden. Problematisch bei diesem Verfahren ist, daß zum Gewährleisten guter Kristalleigenschaften das Aufbringen der Cappingschicht bei verhältnismäßig hohen Temperaturen erforderlich ist. Bei diesen hohen Temperaturen neigt das Indium auf den Inseln aber dazu, in die Cappingschicht zu diffundieren, was wiederum eine Rückbildung der Inseln zur Folge haben kann. Im Extremfall können vor Aufbringen der Cappingschicht vorhandene Inseln nach dem Abdecken mit der Cappingschicht vollständig verschwunden sein.
[0003] Das der Erfindung zugrunde liegende Problem ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes anzugeben, mit dem sich Halbleiterbauelemente mit Qαantenpunktstrukturen in hoher Qαalität, zuverlässig, reproduzierbar und bei guten Kristalleigenschaften des Halbleiterbauelementes herstellen lassen.
[0004] Das Problem wird dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art der Verbindungshalbleiter für die dritte Schicht außer der ersten Komponente und der zweiten Komponente zum Erzeugen von Inseln der zweiten Schicht beim Aufbringen der dritten Schicht einen zweiten Anteil der dritten Komponente aufweist.
[0005] Weil in diesem Fall auch die dritte Schicht einen Anteil der dritten Komponente enthält, kann bei verhältnismäßig hohen Temperaturen diese dritte Schicht aufgebracht werden, da aus den Inseln heraus diffundierende Atome der dritten Komponente durch aus der dritten Schicht in die Inseln hinein diffundierende Atome der dritten Komponente ausgeglichen werden können. Im Einzelnen können die Schichtdicke der zweiten Schicht, der erste Anteil und der zweite Anteil so gewählt werden, daß durch die Diffusion der Atome der dritten Komponente aus der dritten Schicht in die zweite Schicht die Inseln überhaupt erst entstehen. Weil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Diffusion der Atome der dritten Komponente nicht unbedingt vermieden werden muß, lassen sich dadurch Kristalle mit guten Kristalleigenschaften erzeugen. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch zur Erzeugung von Qαantenpunktstrukturen bei Elementhalbleitern verwenden. In diesem Fall werden für die erste und dritte Schicht ein erster Halbleiter und für die zweite Schicht ein zweiter Halbleiter verwendet, wobei das Material zum Aufbringen der dritten Schicht neben dem ersten Halbleiter einen geringen Anteil des zweiten Halbleiters zum Erzeugen von Inseln der zweiten Schicht beim Aufbringen der dritten Schicht enthält. Anstelle des ersten Halbleiters kann für die erste Schicht auch eine andere geeignete Unterlage verwendet werden. Wichtig ist ein gutes Wachstums verhalten entsprechend der vorstehenden Erläuterungen.
[0006] Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der erste Anteil 10% bis 50%, vorzugsweise 20% bis 25% beträgt. Bei einem derartigen ersten Anteil ändert sich die Gitterkonstante des Verbindungshalbleiters von der ersten Schicht zur zweiten Schicht derart, daß die gewünschten Wachstumsbedingungen eingestellt werden können. Üblicherweise erfolgt das Wachstum der zweiten Schicht nach dem sogenannten Stransky-Kastranow-Modell, wobei zunächst ein lagenweises Wachstum erfolgt und nach einem Aufwachsen von etwa 2 bis 3 Monolagen aufgrund der größeren Gitterkonstante des Verbindungshalbleiters der zweiten Schicht gegenüber der ersten Schicht ein Inselwachstum einsetzt.
[0007] Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der zweite Anteil kleiner ist als der erste Anteil. Vorzugsweise beträgt der zweite Anteil 5% bis 10%. Mittels dieses geringeren zweiten Anteils ist die Gitterkonstante des Verbindungshalbleiters der dritten Schicht nach Diffusion der Atome der dritten Komponente aus der dritten Schicht an die zweite Schicht in etwa gleich der Gitterkonstante der ersten Schicht. Auf diese Weise lassen sich gute Kristalleigenschaften erzielen, wobei gleichzeitig die Diffusion der Atome der dritten Komponente zu der zweiten Schicht hin zur Inselbildung unterstützt wird.
[0008] Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die zweite Schicht monolagenweise aufgebracht wird. Dadurch lassen sich besonders gute Kristalleigenschaften erzielen. Die Schichtdicke der zweiten Schicht kann dabei 1 bis 7 Monolagen, vorzugsweise 2 Monolagen betragen. Insbesondere bei dem auftretenden Wachstum befindet sich das System so am Übergang zwischen dem lagenweisen Wachstum und dem Inselwachstum, so daß weitere Atome der dritten Komponente aus der dritten Schicht beim Diffundieren zu der zweiten Schicht die gewünschten Inseln als Qαantenpunktstrukturen produzieren.
[0009] Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die zweite Schicht und/oder die dritte Schicht bei einer Temperatur von 6000C bis 8200C, vorzugsweise von 8200C aufgebracht wird. Bei diesen hohen Temperaturen lassen sich Schichten guter Qαalität und Kristalle von guten Kristalleigenschaften erzeugen. Insbesondere bei 8200C treten nur sehr wenige Defekte in der Kristallstruktur auf.
[0010] Es ist weiter von Vorteil, wenn die zweite Schicht und/oder die dritte Schicht epitaktisch aufgebracht werden. Vorzugsweise kann dies mittels Metallorganischer Dampfphasenepitaxie (MOVPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder Hydrid- Dampfphasen-Epitaxie (HVPE) erfolgen. Mittels dieser epitaktischen Verfahren lassen sich kontrollierbar Schichten hoher Qαalität mit guter Ausbeute erzeugen.
[0011] Nach einem anderen Aspekt der Erfindung ist es von Vorteil, wenn die erste
Schicht eine Schichtdicke von 2-3 Mikrometer insbesondere 2,3 Mikrometer aufweist. Wird die erste Schicht mit dieser Schichtdicke erzeugt, eignet sie sich gut als Trägermaterial und ist hinreichend robust für die weitere Bearbeitung.
[0012] Es ist außerdem von Vorteil, wenn die erste Schicht auf einem Substrat aufgebracht wird. Als Substrat eignet sich beispielsweise Saphir. Insbesondere kann eine Saphir (0001) Fläche verwendet werden. Dieses Saphir Substrat eignet sich gut als Trägermaterial für die Verbindungshalbleiter und hat andererseits die erforderlichen optischen Eigenschaften zum Herstellen beispielsweise einer Laserdiode. Auch SiC, Si, GaN und andere Trägermaterialien sind bei einem geeigneten Wachstumsverhalten der Schichten darauf als Substrate geeignet.
[0013] Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden beim Aufbringen der dritten Schicht die Inseln auf der zweiten Schicht mit einer Flächenanzahldichte von 108 bis 109 pro Qαadratzentimeter erzeugt. Mit konventionellen Methoden zum Erzeugen dieser Qαantenpunktstrukturen liegt die Flächenanzahldichte der Inseln nicht unter 1011. Gerade zum Erzeugen von sogenannten Einzelphotonenemittern, mit denen sich gezielt einzelne Photonen emittieren lassen, ist eine Reduzierung der Flächenanzahldichte bei gleichzeitig hoher Qαalität aber zwingend erforderlich. Mit diesen Einzelphotonenemittern lassen sich die Halbleiterbauelemente beispielsweise für die Nachrichtentechnik weiter deutlich miniaturisieren.
[0014] Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß als Verbindungshalbleiter GaN mit Ga als erster Komponente und mit N als zweiter Komponente verwendet wird. Dieser GaN-Halbleiter eignet sich zum Herstellen von Laserdioden, die blaues Licht emittieren. Dieses blaue Licht hat wegen seiner geringen Wellenlänge den Vorteil, daß sich damit beispielsweise Leseköpfe für optische Speichermedien mit einer hohen Speicherdichte herstellen lassen. Vorzugsweise wird dabei als dritte Komponente Indium zum Erzeugen von InGaN als Verbindungshalbleiter verwendet. Hierdurch läßt sich eine Verschiebung des emittierten Lichtes in den grünen Spektralbereich erzeugen. Gleichzeitig bewirkt ein Zusetzen von Indium eine Vergrößerung der Gitterkonstante des Verbindungshalbleiterkristalls, so daß das gewünschte Insel-Wachstum erzielt werden kann. [0015] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, hergestellt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Bei dem Halbleiterbauelement kann es sich beispielsweise um eine Laserdiode handeln. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Einzelphotonenemitter.
[0016] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
[0017] Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausgangsproduktes für die Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach einem ersten Produktionsschritt,
[0018] Fig. 2 den Halbleiterbauelementrohling von Fig. 1 nach einem zweiten Produktionsschritt,
[0019] Fig. 3 den Halbleiterbauelementrohling nach einem dritten Produktionsschritt,
[0020] Fig. 4 den Halbleiterbauelementrohling nach Aufbringen einer Cappingschicht, und
[0021] Fig. 5 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
[0022] Fig. 1 zeigt einen Rohling für ein Halbleiterbauelement nach einem ersten
Produktionsschritt. Wie sich der Figur entnehmen läßt, weist der Rohling ein Substrat 10 auf, auf dem als erste Schicht eine Unterlage 11 angeordnet ist. Bei dem Substrat handelt es sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel um Saphir (0001). Die darauf angeordnete erste Schicht 11, die nachfolgend als Unterlage 11 bezeichnet wird, ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Verbindungshalbleitermaterial ausgebildet. Im Einzelnen besteht die Unterlage 11 aus GaN, das bei guten Kristalleigenschaften auf das Substrat 10 aufgebracht worden ist. Im Einzelnen ist die Unterlage 11 bei einer Aufwachstemperatur von 8200C mittels Metallorganischer Dampfphasen-Epitaxie auf das Substrat 10 aufgewachsen worden. Bei dieser Temperatur bildet sich eine gute einkristaline Struktur des GaN
Verbindungshalbleitermaterials auf dem Substrat 10 aus, da Defekte und Versetzungen gut ausheilen können.
[0023] Fig. 2 zeigt den Halbleiterbauelementrohling von Fig. 1 nach einem zweiten Produktionsschritt. Im Einzelnen ist in dem abgebildeten Zustand eine Nukleationsschicht 12 auf der Unterlage 11 angeordnet. Zum Herstellen der Nukleationsschicht ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Verbindungshalbleitermaterial InGaN, bei dem 20% bis 25% der Galliumatome durch Indiumatome ausgetauscht worden sind, epitaktisch mittels Metalloxiddampfphasen Epitaxie auf der Unterlage 11 aufgewachsen worden. Im Einzelnen ist bei InGaN eine größere Gitterkonstante gegeben als bei GaN, so daß beim epitaktischen Aufwachsen von InGaN auf GaN das sogenannte Stransky-Kastranow- Wachstum zu beobachten ist. Im Einzelnen wächst dabei das InGaN auf dem GaN der Unterlage 11 zunächst in Form von geordneten Monolagen auf. Erst nach Überschreiten einer kritischen Dicke von 2 bis 3 Monolagen beginnt das InGaN bei weiterem Schichtauftrag in Form eines Inselwachstums zu wachsen, bei dem nicht flächig lagenweise ein Schichtauftrag erfolgt, sondern einzelne Inseln in die Höhe wachsen, ohne daß die darunter liegenden Schichten aufgefüllt werden. Wie sich der Figur entnehmen läßt, ist die Nukleationsschicht 12 mit einer Dicke von 2 bis 3 Monolagen aufgewachsen worden, so daß hier zunächst ein lagenweises Wachstum erfolgt ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Schichtdicke 2 Monolagen, so daß eine Inselbildung noch nicht eingesetzt hat. Fig. 3 zeigt den Halbleiterbauelementrohling nach einem dritten Produktionsschritt. Wie sich der Figur entnehmen läßt, ist auf die Nukleationsschicht 12 eine Formationsschicht 13 aufgebracht worden. Die Formationsschicht 13 besteht bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls aus einem Verbindungshalbleiter, nämlich InGaN, wobei hier ebenfalls ein Anteil Galliumatome durch Indiumatome ausgetauscht worden ist. Im Einzelnen ist der Anteil der Indiumatome des Verbindungshalbleiters für die Formationsschicht 13 geringer gewählt als für die Nukleationsschicht 12. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind für das Aufdampfen der Formationsschicht 13 5% bis 10% der Galliumatome durch Indiumatome ausgetauscht worden. Das Aufwachsen der Formationsschicht wie auch das Aufwachsen der Nukleationsschicht erfolgt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bei einer Temperatur von 8200C, so daß sich gute Kristalleigenschaften für die Nukleationsschicht 12 wie auch für die Formationsschicht 13 ergeben. Durch die verhältnismäßig hohen Aufwachstemperaturen können sich die Indiumatome, die in geringer Konzentration in der Formationsschicht 13 enthalten sind, durch die Formationsschicht 13 mittels Diffusion bewegen. Die Indiumatome der Formationsschicht 13 reichern sich dabei im Bereich der Grenzfläche zu der Nukleationsschicht 12 an, wodurch Inseln 14 auf der Nukleationsschicht 12 entstehen. Im Einzelnen ist die Gitterkonstante des InGaN der Nukleationsschicht 12 größer als die des GaN der Unterlage 11, während die Gitterkonstante des InGaN der Formationsschicht 13 kleiner ist als die der Nukleationsschicht 12 und größer als die der Unterlage 11. Durch die Anlagerung der Indiumatome an die Grenzschicht der Nukleationsschicht 12 entmischt sich gleichsam das InGaN der Formationsschicht 13, wodurch im wesentlichen GaN als Verbindungshalbleitermaterial der Formationsschicht 13 überbleibt.
[0025] Fig. 4 zeigt den Halbleiterbauelementrohling mit aufgebrachter Cappingschicht 15. Wie sich der Figur entnehmen läßt, ist eine Cappingschicht 15 auf die Formationsschicht 13 aufgebracht worden. Die Cappingschicht 15 besteht aus einem Verbindungshalbleiter, nämlich GaN. Die Cappingschicht 15 kann ebenfalls bei hoher Temperatur, nämlich bei 8200C auf die Formationsschicht 13 aufgebracht werden, so daß sich gute Kristallstrukturen ergeben.
[0026] Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm des Verfahrens mit den Erfindungsmerkmalen. Im Schritt SlO wird das Verfahren begonnen. Zunächst erfolgt dann im Schritt Si l das Herstellen einer Unterlage. Als Unterlage im Sinne des Schrittes Si l kann sowohl das Substrat 10 wie auch die Unterlage 11 von Fig. 3 hergestellt werden.
[0027] Als nächstes folgt der Schritt S 12. In Schritt S 12 wird die Nukleationsschicht 12 auf der Unterlage aufgebracht. Dies erfolgt, wie vorstehend zu den Fig. 1 bis 4 bereits erläutert, mittels Aufwachsen des Verbindungshalbleiters im Bereich lagenweisen Wachstums. Dabei wird die Schichtdicke so gewählt, daß die kritische Dicke zum Übergang des Wachstums zu dreidimensionalem Inselwachstum unterschritten wird.
[0028] Es folgt der Schritt S 13. Im Schritt S 13 wird die Formationsschicht 13 auf die
Nukleationsschicht 12 aufgewachsen. Dies geschieht wiederum epitaktisch bei hoher Temperatur zum Erzeugen einer guten Kristallstruktur. Bei dem Aufwachsen dieser Formationsschicht, bei der ein geringerer Anteil an Indiumatomen in dem Verbindungshalbleiter vorhanden ist, entstehen die Inseln 14 durch Diffusion der Indiumatome an die Grenzfläche zu der Nukleationsschicht 12. Gleichzeitig werden die Inseln 14 aber durch die verbleibende GaN-Schicht der Formationsschicht 13 abgedeckt und somit geschützt.
[0029] Im nachfolgenden Schritt S 14 wird sodann die Cappingschicht 15 auf der
Formationsschicht 13 aufgewachsen, wodurch die Inselstruktur geschützt und fertig zur weiteren Verwendung ist. Anschließend wird das Verfahren im Schritt S 15 beendet.
[0030] Zur Herstellung der erforderlichen und gewünschten Bauelemente kann das erfindungsgemäße Verfahren lagenweise aufeinander folgend so oft wiederholt werden, wie es den Anforderungen entspricht. Beispielsweise genügt für einen Einzelphotonenemitter eine Lage Qαantenpunkte, während für Laserdioden Stapel mit drei bis zwölf Lagen erforderlich sind.
[0031] Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren läßt sich das aktive Gebiet einer
Lichtemitterstruktur für Halbleiterbauelemente herstellen, bei denen in Form der Inseln 14 Qαantenpunktstrukturen für Halbleiterbauelemente wie beispielsweise Laserdioden geschaffen werden. Diese Qαantenpunktstrukturen lassen sich mit dem beschriebenen Verfahren mit einer Flächendichte von 108 bis 109 pro Qαadratzentimeter erzeugen. Diese verhältnismäßig geringe Flächenanzahldichte ermöglicht es, auf diese Weise Einzelphotonenemitter herzustellen.
[0032] Bezugszeichenliste:
[0033] 10 Substrat
[0034] 11 Unterlage
[0035] 12 Nukleationsschicht
[0036] 13 Formationsschicht
[0037] 14 Insel
[0038] 15 Cappingschicht

Claims

Ansprüche
[0001] Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer
Laserdiode, bei dem auf eine erste Schicht (11) eine zweite Schicht (12) eines Halbleiters aufgebracht wird, und bei dem auf die zweite Schicht (12) eine dritte Schicht (13) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Material zum Aufbringen der dritten Schicht (13) einen Anteil des Halbleiters zum Erzeugen von Inseln (14) der zweiten Schicht (12) beim Aufbringen der dritten Schicht (13) enthält.
[0002] Verfahren nach Anspruch 1 zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes, insbesondere einer Laserdiode, bei dem auf eine erste Schicht (11) eines Verbindungshalbleiters mit einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente eine zweite Schicht (12) des Verbindungshalbleiters aufgebracht wird, die außer der ersten Komponente und der zweiten Komponente einen ersten Anteil einer dritten Komponente aufweist, und bei dem auf die zweite Schicht (12) eine dritte Schicht (13) des Verbindungshalbleiters aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungshalbleiter für die dritte Schicht (13) außer der ersten Komponente und der zweiten Komponente zum Erzeugen von Inseln (14) der zweiten Schicht (12) beim Aufbringen der dritten Schicht (13) einen zweiten Anteil der dritten Komponente aufweist.
[0003] Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Anteil 10% bis 50%, vorzugsweise 20% bis 25% beträgt.
[0004] Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Anteil kleiner ist als der erste Anteil.
[0005] Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anteil 5% bis 10% beträgt.
[0006] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (12) monolagen weise aufgebracht wird.
[0007] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtücke der zweiten Schicht (12) eine bis sieben Monolagen, vorzugsweise zwei Monolagen beträgt.
[0008] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (12) und/oder die dritte Schicht (13) bei einer Temperatur von 6000C bis 8200C, vorzugsweise von 8200C aufgebracht wird.
[0009] Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (12) und/oder die dritte Schicht (13) bei einer Temperatur von 6000C bis 7000C aufgebracht wird, und daß die vierte Schicht bei einer Temperatur größer als 8000C aufgebracht wird.
[0010] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (12) und/oder die dritte Schicht (13) epitaktisch, vorzugsweise mittels Metallorganische Dampfphasen-Epitaxie (MOVPE),
Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder Hydrid-Dampfphasen Epitaxie (HVPE) aufgebracht wird. [0011] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (11) mit einer Schichtiicke von 2 bis 3 Mikrometer, insbesondere 2,3 Mikrometer, erzeugt wird. [0012] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (11) auf ein Substrat (10) aufgebracht wird. [0013] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat (10) Saphir, insbesondere eine Saphir (0001) Fläche, verwendet wird. [0014] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufbringen der dritten Schicht (13) die Inseln (14) auf der zweiten
Schicht (12) mit einer Flächenanzahldichte von 10 8 bis 109 pro
Quadratzentimeter erzeugt werden. [0015] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Verbindungshalbleiter GaN mit Ga als erste Komponente und N als zweite Komponente verwendet wird. [0016] Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als dritte
Komponente Indium zum Erzeugen von InGaN als Verbindungshalbleiter verwendet wird. [0017] Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte des Aufbringens der zweiten Schicht (12) und der dritten Schicht
(13) zum Erzeugen von Inseln (14) der zweiten Schicht (12) mehrfach aufeinander folgend ausgeführt werden.
[0018] Halbleiterbauelement, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche. [0019] Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß es eine
Laserdiode ist. [0020] Halbleiterbauelement nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Einzelphdonenemiter ist. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet durch eine Inselflächenanzahldichte von 108 bis 109 pro Quadratzentimeter.
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