Beschreibung
Halbleiterbauelement, Substrat und Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Halbleiterbauelement, ein Substrat für die Herstellung eines Halbleiterbauelements sowie ein Verfahren zur Herstellung einer
Halbleiterschichtenfolge für ein Halbleiterbauelement.
Während der epitaktischen Abscheidung von nitridischem
Verbindungshalbleitermaterial auf einem Aufwachssubstrat kann eine Verspannung der abgeschiedenen Halbleiterschichten relativ zum Aufwachssubstrat zu einer Verbiegung des
Aufwachssubstrats führen. Eine solche Verbiegung kann
bewirken, dass das Aufwachssubstrat nicht mehr vollflächig auf dem Substrathalter aufliegt, wodurch die thermische
Anbindung zum Substrathalter beeinträchtigt wird. Dies kann eine inhomogene Abscheidung der Halbleiterschichten
verursachen .
Eine Aufgabe ist es, ein Halbleiterbauelement anzugeben, das vereinfacht und zuverlässig herstellbar ist. Weiterhin soll ein Substrat sowie ein Verfahren angegeben werden, mit dem Halbleiterschichten homogen und zuverlässig abgeschieden werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement, ein
Substrat beziehungsweise ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
In einer Ausführungsform weist ein Halbleiterbauelement einen Halbleiterkörper, der auf einem nitridischen
Verbindungshalbleitermaterial basiert, und ein Substrat, auf dem der Halbleiterkörper angeordnet ist, auf. In dem Substrat sind gezielt Verunreinigungen ausgebildet.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer
Halbleiterschichtenfolge auf der Basis eines nitridischen Verbindungshalbleitermaterials wird in einer Ausführungsform die Halbleiterschichtenfolge auf einem Substrat abgeschieden, wobei in dem Substrat gezielt Verunreinigungen ausgebildet sind. Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen können aus der Halbleiterschichtenfolge durch Vereinzelung
Halbleiterkörper für Halbleiterbauelemente hervorgehen.
„Auf nitridischen Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die aktive Epitaxie- Schichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein Nitrid- Ii I /V-Verbindungshalbleitermaterial , vorzugsweise
AlnGamIni-n-mN umfasst, wobei 0 < n < 1, 0 < m < 1 und n+m < 1. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es einen oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche Bestandteile aufweisen, die die charakteristischen
physikalischen Eigenschaften des AlnGamIni-n-mN-Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (AI, Ga, In, N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Unter einer Verunreinigung wird verstanden, dass das Substrat zumindest bereichsweise durchsetzt ist mit Fremdatomen aus einem von einem Grundmaterial des Substrats verschiedenen
Material. Die Fremdatome können beispielsweise an Gitterplätzen des Substrat-Kristalls oder zwischen
benachbarten Gitterplätzen eingebaut sein.
Eine gezielte Verunreinigung bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, dass die Verunreinigungen bei der Herstellung des Substrats in definierter Weise eingebracht werden, beispielsweise durch gezieltes Anbieten des Materials für die Verunreinigungen. Ein Substrat, das bei der Fertigung auf eine möglichst geringe Verunreinigung hin optimiert ist und lediglich fertigungsbedingt nicht vollständig vermeidbare Rückstände eines Fremdmaterials enthält, wird dagegen nicht als gezielt verunreinigt angesehen.
Die Verunreinigungen sind insbesondere zur Erhöhung der oberen Fließgrenze (upper yield point) des Substrats
vorgesehen. Oberhalb der oberen Fließgrenze tritt eine plastische Verformung ein. Die obere Fließgrenze stellt also einen Übergang von einem elastischen Bereich zu einem
plastischen Bereich dar. Insbesondere verhält sich die
Antwort eines Materials nicht mehr proportional zur
einwirkenden Verspannung. Je höher die obere Fließgrenze ist, desto höher kann die einwirkende Verspannung sein, ohne dass eine plastische Verformung auftritt.
Im Unterschied zu einer elastischen Verformung geht ein
Material bei einer plastischen Verformung bei Wegnahme der Verspannung nicht mehr in seinen Ausgangszustand zurück.
Bei einer plastischen Verformung eines Kristalls können
Versetzungen im Substrat wandern und/oder es können neue Versetzungen entstehen. Der Zusammenhang zwischen plastischer Deformation und der Bewegung von Versetzungen ist im
Zusammenhang mit der Härtung von Metallen in dem Artikel
„Solid Solution Hardening & Strength" in Technical Tidbits, Vol. 2, No. 10 (Oktober 2000), veröffentlicht durch Brush Wellman Inc., Cleveland, beschrieben.
Mittels der Verunreinigungen kann die obere Fließgrenze derart erhöht werden, dass die bei der Abscheidung der
Halbleiterschichtenfolge auf das Substrat einwirkende
Verspannung zu keiner oder zumindest keiner wesentlichen plastischen Verformung führt. Mit anderen Worten kann die Abscheidung im elastischen Bereich des Substrats erfolgen.
Vorzugsweise sind die Verunreinigungen derart ausgebildet, dass das Substrat einer auf das Substrat einwirkenden
Verspannung von bis zu 0,5 GPa, bevorzugt von bis zu 1,0 GPa, standhält, ohne eine plastische Verformung zu erfahren. Bei der Abscheidung von Halbleitermaterial, etwa auf der Basis von nitridischen Verbindungshalbleitern, nimmt die auf das Substrat einwirkende Spannung mit zunehmender Schichtdicke des Halbleitermaterials zu. Weiterhin ist die Verspannung umso größer, je größer die Gitterfehlanpassung zwischen dem Substrat und dem Halbleitermaterial ist. Je höher die obere Fließgrenze ist, desto größer kann also die Schichtdicke sein, ohne dass eine plastische Verformung eintritt. Die Verformung des Substrats ist in diesem Fall im Wesentlichen durch dessen Eigenschaften im elastischen Bereich bestimmt.
Es hat sich herausgestellt, dass sich - entgegen dem
grundsätzlichen Bestreben, die Kristallqualität mindernde Verunreinigungen weitestgehend zu eliminieren - die
Zuverlässigkeit des Herstellungsverfahrens für
Halbleiterschichtenfolgen für elektronische oder
optoelektronische Halbleiterbauelemente durch die Verwendung von gezielt verunreinigten Substraten erhöhen lässt.
Insbesondere kann Halbleitermaterial mit einer
vergleichsweise hohen Dicke, etwa 3 ym oder mehr, mit hoher kristalliner Qualität und Homogenität in lateraler Richtung, also senkrecht zur Abscheiderichtung, hergestellt werden. Die Gefahr einer in lateraler Richtung inhomogenen Abscheidung ist aufgrund der reduzierten Verformung des Substrats und insbesondere einer damit verbundenen gleichmäßigeren
thermischen Anbindung verringert.
Weiterhin kann bei einer vorgegebenen während der Abscheidung der Halbleiterschichten auf das Substrat einwirkenden
maximalen Verspannung die Dicke eines Substrats mit gezielt eingebrachten Verunreinigungen gegenüber einem Substrat ohne solche Verunreinigungen verringert sein, ohne dass die obere Fließgrenze überschritten wird. So können der Materialbedarf reduziert und die Herstellungskosten gesenkt werden.
Die Verunreinigungen sind, insbesondere hinsichtlich des Materials und der Konzentration, zweckmäßigerweise derart ausgebildet, dass sie die obere Fließgrenze des Substrats erhöhen .
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Verunreinigungen mit einer Konzentration zwischen einschließlich 1*1014 cm-3 und 1*10 cm m dem Substrat ausgebildet. Die
Verunreinigungen können elektrisch aktiv (also die
elektrische Leitfähigkeit des Substrats erhöhend) oder elektrisch inaktiv ausgebildet sein. Die zu einer
signifikanten Erhöhung der oberen Fließgrenze erforderliche Konzentration hängt insbesondere von dem Material der
Verunreinigungen ab.
Vorzugsweise enthalten die Verunreinigungen Kohlenstoff, Stickstoff, Bor oder Sauerstoff. Weiterhin können die
Verunreinigungen mit mindestens zwei dieser Materialien gebildet sein, beispielsweise mit Sauerstoff und Kohlenstoff, oder mit Sauerstoff und Bor. Bei Sauerstoff, Kohlenstoff und Bor beträgt die Konzentration der Verunreinigungen
vorzugsweise zwischen einschließlich 1*1017 cm-3 und
einschließlich 1*10 cm , besonders bevorzugt zwischen einschließlich 1*1018 cm"3 und einschließlich 1 * 1020 cm"3. Bei Stickstoff beträgt die Konzentration der Verunreinigungen vorzugsweise zwischen einschließlich 1*1014 cm"3 und
einschließlich 1*1016 cm"3.
Insbesondere bei einem Substrat, das einen kleineren
thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das
abzuscheidende Material, beispielsweise bei einem Silizium- Substrat oder einem Siliziumkarbid-Substrat, erfolgt die, vorzugsweise epitaktische, Abscheidung des nitridischen
Verbindungshalbleitermaterials bevorzugt derart, dass die Halbleiterschichtenfolge bei einer Abscheidetemperatur bezüglich des Substrats kompressiv verspannt (oder auch druckverspannt bezeichnet) ist. Das heißt, das
Verbindungshalbleitermaterial nimmt eine Gitterkonstante an, die in der lateralen Ebene kleiner ist als eine intrinsische Gitterkonstante des Verbindungshalbleitermaterials. Beim Abkühlen der Halbleiterschichtenfolge ist so die Gefahr verringert, dass die Differenz der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen der
Halbleiterschichtenfolge und dem Substrat Störungen in der Halbleiterschichtenfolge, beispielsweise Risse, zur Folge hat .
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die kompressive
Verspannung derart an eine Differenz des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten zwischen der
Halbleiterschichtenfolge und dem Substrat angepasst, dass die Halbleiterschichtenfolge bei Raumtemperatur unverspannt oder zumindest im Wesentlichen unverspannt ist. Vorzugsweise beträgt die Verspannung bei Raumtemperatur höchstens 10 %, besonders bevorzugt höchstens 5 %, am meisten bevorzugt höchstens 1 %.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Substrat eine Silizium-Oberfläche auf, die als eine Abscheideebene
vorgesehen ist. Das Substrat kann insbesondere als ein
Silizium-Volumen-Substrat oder als ein SOI (Silicon On
Insulator) -Substrat ausgebildet sein.
Weiterhin bevorzugt ist die Silizium-Oberfläche eine (111)- Ebene des Substrats. Ein Silizium-Substrat in dieser
Orientierung zeichnet sich gegenüber anderen Orientierungen durch eine erhöhte obere Fließgrenze aus. Weiterhin eignet sich eine (111) -Ebene aufgrund ihrer sechszähligen Symmetrie besonders für die Abscheidung von nitridischem
Verbindungshalbleitermaterial .
Die Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers des
Halbleiterbauelements bildet vorzugsweise einen funktionalen Bereich des Halbleiterbauelements. Mit anderen Worten ist der für die Funktionalität des Halbleiterbauelements maßgebliche Bereich außerhalb des Substrats ausgebildet. Verglichen mit einem Halbleiterbauelement auf Silizium-Basis, bei dem die Bauelemente typischerweise zumindest teilweise in das
Silizium-Substrat integriert werden, ist so die Gefahr verringert, dass eine durch die Verunreinigungen verursachte
verringerte Kristallqualität des Substrats die Funktionalität des Halbleiterbauelements beeinträchtigt. Zur Erhöhung der oberen Fließgrenze können also Verunreinigungen mit
vergleichsweise hoher Konzentration eingebracht werden, ohne dass sich dies nachteilig auf die Funktionalität des
Halbleiterbauelements auswirkt.
In einer Ausgestaltungsvariante weist der Halbleiterkörper einen aktiven Bereich auf, der zur Erzeugung und/oder zum Empfangen von Strahlung vorgesehen ist. Der für die Effizienz des Bauelements in dessen Betrieb maßgebliche aktive Bereich ist also außerhalb des Substrats ausgebildet.
In einer alternativen Ausgestaltungsvariante ist das
Halbleiterbauelement als ein, vorzugsweise aktives,
elektronisches Halbleiterbauelement ausgebildet,
beispielsweise als ein Transistor, etwa als ein Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (high electron mobility transistor, HEMT) oder als ein Bipolartransistor mit
HeteroÜbergang (heteroj unction bipolar transistor, HBT) .
Es hat sich herausgestellt, dass sich ein Substrat, in dem gezielt Verunreinigungen zur Erhöhung der oberen Fließgrenze des Substrats ausgebildet sind, besonders zur Verwendung als Aufwachssubstrat für die Abscheidung von nitridischem
Verbindungshalbleitermaterial eignet .
Ein solches Substrat kann aber auch für die Abscheidung von anderen III-V-Verbindungshalbleitermaterialien verwendet werden, beispielsweise auf der Basis von phosphidischen
Verbindungshalbleitermaterialien .
„Auf phosphidischen Verbindungshalbleitern basierend" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Halbleiterkörper, insbesondere der aktive Bereich vorzugsweise AlnGamI ni-n-mP umfasst, wobei 0 < n < 1, 0 < m < 1 und n+m < 1 ist,
vorzugsweise mit n + 0 und/oder m + 0. Dabei muss dieses Material nicht zwingend eine mathematisch exakte
Zusammensetzung nach obiger Formel aufweisen. Vielmehr kann es ein oder mehrere Dotierstoffe sowie zusätzliche
Bestandteile aufweisen, die die physikalischen Eigenschaften des Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (AI, Ga, I n , P) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Nach der Abscheidung, insbesondere nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur, kann das Substrat zumindest bereichsweise entfernt oder gedünnt werden, beispielsweise mechanisch, chemisch oder mittels kohärenter Strahlung. Vor dem Entfernen des Substrats kann die Halbleiterschichtenfolge an einem Träger befestigt werden, der die Halbleiterschichtenfolge insbesondere mechanisch stabilisiert.
Ein Halbleiterbauelement, bei dem ein Aufwachssubstrat entfernt ist, wird auch als Dünnfilm-Halbleiterbauelement bezeichnet .
Beispielsweise kann ein Leuchtdioden-Chip als Dünnfilm- Halbleiterbauelement ausgebildet sein und sich insbesondere durch mindestens eines der folgenden charakteristischen
Merkmale auszeichnen:
an einer zu einem Trägerelement hin gewandten ersten
Hauptfläche einer Strahlungserzeugenden
Epitaxieschichtenfolge ist eine reflektierende Schicht aufgebracht oder ausgebildet, die zumindest einen Teil der in der Epitaxieschichtenfolge erzeugten
elektromagnetischen Strahlung in diese zurückreflektiert; die Epitaxieschichtenfolge weist eine Dicke im Bereich von 20ym oder weniger, insbesondere im Bereich von 10 ym auf; und
die Epitaxieschichtenfolge enthält mindestens eine
Halbleiterschicht mit zumindest einer Fläche, die eine Durchmischungsstruktur aufweist, die im Idealfall zu einer annähernd ergodischen Verteilung des Lichtes in der epitaktischen Epitaxieschichtenfolge führt, d.h. sie weist ein möglichst ergodisch stochastisches Streuverhalten auf.
Ein Grundprinzip eines Dünnschicht-Leuchtdiodenchips ist beispielsweise in I. Schnitzer et al . , Appl . Phys . Lett. 63 (16), 18. Oktober 1993, 2174 - 2176 beschrieben, deren
Offenbarungsgehalt insofern hiermit durch Rückbezug
aufgenommen wird.
Ein Dünnfilm-Leuchtdioden-Chip ist in guter Näherung ein Lambert ' scher Oberflächenstrahler und eignet sich von daher besonders gut für die Anwendung in einem Scheinwerfer.
Das beschriebene Verfahren und das beschriebene Substrat sind zur Herstellung des beschriebenen Halbleiterbauelements besonders geeignet. Im Zusammenhang mit dem
Halbleiterbauelement ausgeführte Merkmale können daher auch für das Verfahren beziehungsweise das Substrat herangezogen werden und umgekehrt.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der
Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.
Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein
Halbleiterbauelement in schematischer Schnittansicht; die Figuren 2A bis 2D ein erstes Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements anhand von jeweils in schematischer Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten; die Figuren 3A bis 3D ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements anhand von jeweils in schematischer Schnittansicht dargestellten Zwischenschritten; und
Figur 4 Ergebnisse einer Messung der Krümmung C für
verschiedene Substrate als Funktion der Abscheidedauer t.
Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als
maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren
Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein
Halbleiterbauelement 1 gezeigt, das exemplarisch als ein Dünnfilm-Leuchtdiodenchip ausgebildet ist.
Das Halbleiterbauelement 1 weist einen Halbleiterkörper 2 mit einer Halbleiterschichtenfolge auf. Die
Halbleiterschichtenfolge, die den Halbleiterkörper bildet, ist vorzugsweise epitaktisch, etwa mittels MOVPE oder MBE, auf einem Substrat 3 abgeschieden.
In dem Substrat 3 sind Verunreinigungen 4 ausgebildet, die auf Gitterplätzen oder zwischen benachbarten Gitterplätzen in die Kristallstruktur des Substrats angeordnet sind. Als Substrat eignet sich insbesondere ein Volumen-Silizium- Substrat. Es kann aber auch ein SOI-Substrat verwendet werden. Vorzugsweise weist das Substrat eine dem
Halbleiterkörper zugewandten Oberfläche in ( 111 ) -Orientierung auf. In dieser Orientierung weist Silizium eine erhöhte obere Fließgrenze auf. Silizium zeichnet sich weiterhin durch eine hohe thermische Leitfähigkeit aus. Weiterhin sind Silizium- Substrate insbesondere im Vergleich zu anderen
Aufwachssubstraten für nitridisches
Verbindungshalbleitermaterial wie Saphir, Siliziumkarbid oder Galliumnitrid großflächig und kostengünstig verfügbar.
Die Verunreinigungen 4 sind vorzugsweise mit einer
Konzentration zwischen einschließlich 1*1014 cm-3 und
1*10 cm m das Substrat eingebracht. Die Verunreinigungen können elektrisch aktiv oder elektrisch inaktiv ausgebildet sein .
Vorzugsweise enthalten die Verunreinigungen Kohlenstoff, Stickstoff, Bor oder Sauerstoff. Bei Sauerstoff, Kohlenstoff
und Bor beträgt die Konzentration der Verunreinigungen vorzugsweise zwischen einschließlich 1*1017 cm-3 und
einschließlich 1*10 cm , besonders bevorzugt zwischen einschließlich 1*1018 cm"3 und einschließlich 1 * 1020 cm"3. Bei Stickstoff beträgt die Konzentration der Verunreinigungen vorzugsweise zwischen einschließlich 1*1014 cm"3 und
einschließlich 1*1016 cm"3. Weiterhin können die
Verunreinigungen mit mindestens zwei dieser Materialien gebildet sein, beispielsweise mit Sauerstoff und Kohlenstoff, oder mit Sauerstoff und Bor.
Mit den genannten Konzentrationen kann erzielt werden, dass das Substrat bei der Abscheidung der Halbleiterschichtenfolge für den Halbleiterkörper 2 einer Verspannung von mindestens 0,5 GPa, bevorzugt von mindestens 1,0 GPa standhält, ohne dass eine plastische Verformung eintritt.
Der Halbleiterkörper 2 weist einen Zwischenbereich 25 auf, der an das Substrat 3 angrenzt. Auf der dem Substrat
abgewandten Seite des Zwischenbereichs ist ein
Bauelementbereich 21 ausgebildet.
Die Halbleiterschichten des Halbleiterkörpers 2 basieren jeweils auf AlnGamIni-n-mN mit 0 < n < 1, 0 < m < 1 und
n+m < 1.
Der Bauelementbereich 21 weist einen zur Erzeugung von
Strahlung vorgesehenen aktiven Bereich 23 auf, der zwischen einer ersten Halbleiterschicht 22 und einer zweiten
Halbleiterschicht 24 angeordnet ist.
Im Betrieb des Halbleiterbauelements können über einen ersten Kontakt 91 und einen zweiten Kontakt 92 Ladungsträger von
unterschiedlichen Seiten in den aktiven Bereich 23 injiziert werden und dort unter Emission von Strahlung rekombinieren.
Der Bauelementbereich 21 weist vorzugsweise eine Dicke zwischen einschließlich 2 ym und einschließlich 8 ym auf, besonders bevorzugt zwischen einschließlich 4 ym und
einschließlich 5 ym. Abhängig von der Art des
Halbleiterbauelements 1 können aber auch größere oder
kleinere Dicken zweckmäßig sein.
Zur Vermeidung einer Absorption von Strahlung durch das
Substrat 3 kann zwischen dem aktiven Bereich 21 und dem
Substrat 3, insbesondere auf der dem Zwischenbereich 25 zugewandten Seite des Bauelementbereichs 21 ein Bragg-Spiegel ausgebildet sein, der im Betrieb in Richtung des Substrats abgestrahlte Strahlung reflektiert.
Die Halbleiterschichten des Zwischenbereichs 25 dienen vorwiegend der Steigerung der Qualität der
Halbleiterschichten des für den Betrieb maßgeblichen
Bauelementbereichs 21.
Der Zwischenbereich 25 weist eine Nukleations- und
Pufferschicht 26, eine Übergangsschicht 27 und einen
Verspannungsbereich 28 auf, die nacheinander auf dem Substrat abgeschieden sind.
Die an das Substrat 3 angrenzende Nukleations- und
Pufferschicht 26 ist auf der Basis von A1N ausgebildet. Diese Schicht dient der Beikeimung des Substrats 3 und weist eine Dicke zwischen 50 nm und 300 nm auf, beispielsweise 200 nm. Die nachgeordnete Übergangsschicht basiert auf AlGaN und ist
zur, beispielsweise schrittweisen oder kontinuierlichen, Steigerung des Gallium-Gehalts vorgesehen.
Der Verspannungsbereich 28 ist für das Ausbilden einer kompressiven Verspannung bei der Abscheidetemperatur
vorgesehen. Beim Abkühlen nach der Abscheidung kann diese kompressive Verspannung die durch den Unterschied im
thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Substrat und der Halbleiterschichtenfolge des Halbleiterkörpers 2 verursachte Zugverspannung vollständig oder zumindest
teilweise kompensieren. Für den Verspannungsbereich eignet sich eine GaN-Schicht, in die eine oder mehrere AlGaN- Schichten, beispielsweise 2 bis drei AlGaN-Schichten
eingebettet sind. Die Dicke des Verspannungsbereichs liegt vorzugsweise zwischen 2 ym und 3 ym, beispielsweise 2,5 ym.
Bei Raumtemperatur beträgt die Verspannung vorzugsweise höchstens 10 %, besonders bevorzugt höchstens 5 %, am meisten bevorzugt höchstens 1 %.
Der Zwischenbereich 25 ist weitgehend unabhängig von dem nachfolgenden Bauelementbereich und kann daher auch für andere optoelektronische oder elektronische Bauelemente
Anwendung finden.
Beispielsweise kann das Halbleiterbauelement von dem
beschriebenen Ausführungsbeispiel abweichend auch als ein elektronisches Halbleiterbauelement ausgebildet sein, etwa als ein Halbleiterbauelement für die Hochfrequenztechnik oder für die Leistungselektronik. Beispielsweise kann das
Halbleiterbauelement als ein Transistor, etwa als HBT oder als HEMT, ausgeführt sein. In diesem Fall weist der auf dem Zwischenbereich 25 angeordnete Bauelementbereich 21 die für
das jeweilige elektronische Halbleiterbauelement charakteristischen funktionalen Schichten auf, beispielsweise die zumindest einen HeteroÜbergang bildenden
Halbleiterschichten in einem HBT oder eine Schicht, in dem sich ein zweidimensionales Elektronengas ausbildet, im Fall eines HEM . Die funktionalen Schichten sind somit außerhalb des Substrats 3 ausgebildet. Die Verunreinigungen 4 können zur Erhöhung der oberen Fließgrenze also in das Substrat eingebracht sein und damit eine verbesserte Homogenität der Abscheidung der Halbleiterschichten bewirken, ohne dass die Verunreinigungen negativen Einfluss auf die Funktionalität der Halbleiterbauelemente nehmen.
Ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterschichtenfolge, die nachfolgend in
Halbleiterbauelemente weiterverarbeitet wird, ist in den Figuren 2A bis 2D gezeigt. Das Verfahren wird exemplarisch anhand der Herstellung eines Dünnfilm-Leuchtdiodenchips beschrieben, wobei zur vereinfachten Darstellung lediglich der Bereich der Halbleiterschichtenfolge gezeigt ist, aus dem ein Halbleiterkörper für ein Halbleiterbauelement hervorgeht.
Als Aufwachssubstrat wird ein Substrat 3, das gezielt mit Verunreinigungen 4 versehen ist, bereitgestellt. Das Substrat kann beispielsweise mittels eines Czochralski-Verfahrens oder mittels eines Floating Zone-Verfahrens hergestellt werden.
Ein im Floating-Zone-Verfahren hergestelltes Substrat 3 kann sich durch eine verbesserte Kristallqualität auszeichnen. Das zur Ausbildung der Verunreinigung vorgesehene Material kann bei der Herstellung so angeboten werden, dass es in den
Kristall des Substrats auf den Gitterplätzen oder zwischen Gitterplätzen eingebaut wird.
Auf dem Substrat 3 wird eine Halbleiterschichtenfolge 20 mit einem Zwischenbereich 25 und einem Bauelementbereich 21 epitaktisch abgeschieden, wobei diese Bereiche wie im
Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben ausgebildet sein können (Figur 2A) .
Die Verunreinigungen 4 sind vorzugsweise mit einer derartigen Konzentration eingebracht, dass die Abscheidung der
Halbleiterschichtenfolge im Bereich der elastischen
Verformung, also unterhalb der oberen Fließgrenze erfolgt.
Vorzugsweise hält das Substrat mittels der Verunreinigungen 4 während der Abscheidung, also bei Temperaturen von ca.
1000° C, einer Verspannung von mindestens 0,5 GPa, besonders bevorzugt mindestens 1,0 GPa stand, ohne eine plastische Verformung zu erfahren.
Nach der Abscheidung der Halbleiterschichtenfolge 20 kann diese in Halbleiterbauelemente weiterverarbeitet werden. Bei der Herstellung eines Dünnfilm-Halbleiterchips wird die
Halbleiterschichtenfolge, wie in Figur 2B dargestellt, mittels einer Verbindungsschicht 6, beispielsweise einem Lot oder einer elektrisch leitfähigen Klebeschicht an einem
Träger 8 befestigt.
Der Träger 8 muss nicht die hohen kristallinen Eigenschaften an ein Aufwachssubstrat erfüllen und kann hinsichtlich anderer Eigenschaften gewählt werden, beispielsweise im
Hinblick auf eine hohe thermische Leitfähigkeit. Für den Träger eignet sich beispielsweise ein Halbleitermaterial, etwa Silizium, Germanium oder Galliumarsenid, oder eine
Keramik, etwa Aluminiumnitrid oder Bornitrid.
Vor dem Befestigen wird eine Spiegelschicht 7 zwischen dem Träger 8 und der Halbleiterschichtenfolge 2 ausgebildet. Die Spiegelschicht ist für die Reflexion der im Betrieb im aktiven Bereich 23 erzeugten Strahlung vorgesehen. Die
Spiegelschicht enthält vorzugsweise ein Metall mit einer hohen Reflektivität für die im aktiven Bereich erzeugte
Strahlung oder eine metallische Legierung. Im sichtbaren Spektralbereich eignet sich beispielsweise Aluminium, Silber, Rhodium, Palladium, Nickel oder Chrom.
Der Träger 8 dient der mechanischen Stabilisierung der
Halbleiterschichtenfolge 20. Das Substrat 3 ist hierfür nicht mehr erforderlich und kann entfernt werden, beispielsweise nasschemisch (Figur 2C) . Alternativ oder ergänzend kann aber auch ein mechanisches Verfahren, etwa Schleifen, Polieren oder Läppen, Anwendung finden.
Nach dem Entfernen des Substrats 3 wird eine dem Träger 8 abgewandte Oberfläche der Halbleiterschichtenfolge mit einer Strukturierung 29, beispielsweise einer Aufrauung, versehen. Die Auskoppeleffizienz für im aktiven Bereich erzeugte
Strahlung kann so gesteigert werden.
Für das Ausbilden der Strukturierung 29 wird Material des Zwischenbereichs 25 teilweise entfernt. Beispielsweise können die Nukleations- und Pufferschicht 26 und die
Übergangsschicht 27 vollständig entfernt werden, so dass die Strukturierung 29 in dem Verspannungsbereich 29 ausgebildet werden kann.
Für die Injektion von Ladungsträgern in den aktiven Bereich 23 werden ein erster Kontakt 91 und ein zweiter Kontakt 92 ausgebildet, etwa mittels Aufdampfens oder Aufsputterns . Ein
fertig gestelltes Dünnfilm-Halbleiterbauelement ist in Figur 2D dargestellt.
Das in den Figuren 3A bis 3D gezeigte zweite
Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements unterscheidet sich von dem ersten
Ausführungsbeispiel in der Weiterverarbeitung der
Halbleiterschichtenfolge 20. Nicht explizit beschriebene Schritte in der Weiterverarbeitung oder Eigenschaften des herzustellenden Halbleiterbauelements können wie im ersten Ausführungsbeispiel durchgeführt werden beziehungsweise ausgestaltet sein. Die Herstellung der
Halbleiterschichtenfolge 20 selbst kann wie im Zusammenhang mit Figur 2A beschrieben erfolgen.
Wie in Figur 3B dargestellt, werden in der
Halbleiterschichtenfolge 20 von der dem Substrat 3
abgewandten Seite her Ausnehmungen 55 ausgebildet, die sich durch den aktiven Bereich 23 hindurch in die erste
Halbleiterschicht 22 hinein erstrecken.
In diesen Ausnehmungen 55 wird die erste Halbleiterschicht 22 mit einer ersten Anschlussschicht 51 elektrisch kontaktiert.
Die zweite Halbleiterschicht 24 wird mit einer zweiten
Anschlussschicht 52 elektrisch kontaktiert. Die zweite
Anschlussschicht verläuft bereichsweise zwischen der
Halbleiterschichtenfolge 20 und der ersten Anschlussschicht 51. Die zweite Anschlussschicht 32 ist im Betrieb
vorzugsweise weiterhin zur Reflexion von im aktiven Bereich 23 erzeugter Strahlung vorgesehen. Für die zweite
Anschlussschicht eignet sich insbesondere eines der im
Zusammenhang mit der Spiegelschicht genannten Materialien.
Die Anschlussschichten 51, 52 können mittels Aufdampfens oder Sputterns aufgebracht werden.
Vor dem Abscheiden der ersten Anschlussschicht 51 wird eine Isolationsschicht 53 aufgebracht, die die Seitenflächen der Ausnehmungen 55 bedeckt. Ein elektrischer Kurzschluss des aktiven Bereichs 23 wird so verhindert. Weiterhin verläuft die erste Isolationsschicht bereichsweise zwischen der ersten Anschlussschicht 51 und der zweiten Anschlussschicht 52, so dass diese Schichten elektrisch voneinander isoliert sind. Für die Isolationsschicht eignet sich beispielsweise ein Oxid, etwa Siliziumoxid oder ein Nitrid, etwa Siliziumnitrid.
Auf der dem Substrat 3 abgewandten Seite der
Halbleiterschichtenfolge 20 wird ein Träger 8 mittels einer Verbindungsschicht 6 befestigt. Der Träger und die
Verbindungsschicht können wie im Zusammenhang mit dem in den Figuren 2A bis 2D beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt sein.
Wie in Figur 3C dargestellt, werden das Substrat 3, die
Nukleations- und Pufferschicht 26 und die Übergangsschicht 27 entfernt. Nachfolgend wird die zweite Anschlussschicht 53 durch bereichsweises Entfernen der Halbleiterschichtenfolge 20 freigelegt.
Eine dem Träger 8 abgewandte Strahlungsaustrittsfläche 200 des Halbleiterkörpers 2 wird mit einer Strukturierung 29 zur Erhöhung der Auskoppeleffizienz versehen. Dies kann vor oder nach dem Freilegen der zweiten Anschlussschicht 52 erfolgen. Für die externe elektrische Kontaktierung werden ein erster Kontakt 91, der über die erste Anschlussschicht 51 mit der ersten Halbleiterschicht 22 elektrisch leitend verbunden ist,
sowie ein zweiter Kontakt 92, der über die zweite Anschlussschicht 52 mit der zweiten Halbleiterschicht 24 elektrisch leitend verbunden ist, ausgebildet.
Der zweite Kontakt 92 ist in lateraler Richtung von dem
Halbleiterkörper 2 beabstandet. Die Strahlungsaustrittsfläche 200 ist somit frei von einem externen elektrischen Kontakt. Die aus der Strahlungsaustrittsfläche austretende
Strahlungsleistung kann so erhöht werden.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kontakte 91, 92 auf unterschiedlichen Seiten des Trägers 8 angeordnet. Die
Kontakte können aber auch auf derselben Seite angeordnet sein .
In Figur 4 sind Ergebnisse von Messungen der Krümmung C (in km-1) als Funktion der Abscheidedauer t (in s) für
verschiedene Substrate gezeigt, die Verunreinigungen in verschiedenen Konzentrationen aufweisen. Während der
gezeigten Abscheidedauer von etwa 9200 s wird jeweils
Halbleitermaterial mit einer Dicke von etwa 4 ym epitaktisch aufgewachsen .
Die Kurven 401 und 402 zeigen den Verlauf der Krümmung C für zwei Silizium-Substrate, die mit dem Floating Zone-Verfahren hergestellt wurden und die sich durch die Konzentration der Verunreinigungen unterscheiden. Die Kurve 302 ist einem
Substrat zugeordnet, das sich durch eine gegenüber dem zur Kurve 401 gehörigen Substrat um eine gezielt erhöhte
Verunreinigung mit Stickstoff auszeichnet. Die Konzentration der Stickstoff-Verunreinigung beträgt etwa 1014 cm-3.
Eine Kurve 403 bezieht sich auf ein mit dem Czochralski- Verfahren abgeschiedenes Substrat mit einer Konzentration der Sauerstoff-Verunreinigung von etwa 1017 cm-3.
Alle Kurven zeigen in dem dargestellten Bereich mit
zunehmender Abscheidedauer einen Anstieg der Krümmung. Die Kurve 403 zeigt im Bereich zwischen 4500 s und 9000 s einen weitgehend linearen Verlauf mit im Wesentlichen gleich bleibender Steigung. Bei den Kurven 401 und 402 nimmt die Steigung dagegen jeweils oberhalb von 7000 s sprungartig eine größere Steigung an. Für die Kurve 401 ist hierbei der
Bereich, in dem die Steigung größer ist als in dem linearen Bereich, zu kleineren Zeiten, also zu kleineren Schichtdicken hin verschoben. Dieses Verhalten sowie die im Vergleich zur Kurve 402 größere Steigung zeigen, dass die plastische
Verformung bei der Kurve 401 zum einen früher einsetzt und zum anderen stärker ausfällt.
Die Messungen zeigen somit, dass das Substrat mit der
höchsten Konzentration an Verunreinigungen die geringste Krümmung aufweist. Durch eine gezielte Verunreinigung kann also die Krümmung verringert werden, so dass die Abscheidung auf den Substraten in lateraler Richtung besonders homogen erfolgen kann.
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2010 027 411.9, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in
den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder den Ausführungsbeispielen angegeben ist .