WO2014198550A1 - Verfahren zur herstellung eines nitridverbindungshalbleiter-bauelements - Google Patents

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WO2014198550A1
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semiconductor layer
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layer
sequence
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Werner Bergbauer
Philipp Drechsel
Peter Stauss
Patrick Rode
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Ams Osram International GmbH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a nitride compound semiconductor device on a substrate having a silicon surface.
  • Nitride compound semiconductors are commonly used in LEDs or
  • Laser diodes are used, usually in blue
  • Emit spectral range Depending on the composition of the semiconductor material, for example, an emission in the ultraviolet or green spectral range is possible. Luminescence conversion by means of phosphors, the
  • Nitride compound semiconductor based LEDs are therefore of considerable importance for LED lighting systems.
  • the nitride compound semiconductor layers are typically epitaxially grown on a growth substrate that conforms to the lattice constant and crystal structure of the growth factor
  • Nitride compound semiconductor material is adjusted. Suitable substrate materials are in particular sapphire, GaN or SiC. However, these substrate materials are comparatively expensive. The growth of nitride compound semiconductors
  • nitride compound semiconductors used growth temperature of about 1000 ° C to room temperature generated large tensile stresses in GaN.
  • WO 2011/039181 A1 discloses processes for the production of nitride compound semiconductor components
  • the publication WO 2013/045355 Al describes a method for producing nitride compound semiconductor components on silicon substrates, in which a layer structure is arranged between the silicon substrate and the functional layer sequence of the optoelectronic component, in which a masking layer of a silicon nitride-containing material is embedded. Embedding the masking layer achieves a reduction in dislocation density.
  • the invention is based on the object, a further
  • Specify nitride compound semiconductor device on a substrate with a silicon surface can be achieved by the particularly low defect densities in the semiconductor layer sequence, and which is characterized by a relatively low production cost.
  • the growth substrate may in particular be a silicon substrate.
  • the growth substrate may be an SOI substrate (Silicon On Insulator).
  • a buffer layer having Al x In y Ga x - y N with O x 1, O x y y and x + y ⁇ 1 is applied to the silicon surface
  • the buffer layer preferably has Al x Gai x N with 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • Semiconductor layer sequence is based on a nitride compound semiconductor. "On a nitride compound semiconductor based "means in this context that the semiconductor layer sequence or at least one layer thereof comprises a III-nitride compound semiconductor material, preferably Al m In y Ga m - n N, where 0 ⁇ m ⁇ 1, 0 ⁇ n ⁇ 1 and m + n ⁇ 1. This material does not necessarily have a III-nitride compound semiconductor material, preferably Al m In y Ga m - n N, where 0 ⁇ m ⁇ 1, 0 ⁇ n ⁇ 1 and m + n ⁇ 1. This material does not necessarily have a III-nitride compound semiconductor material, preferably Al m In y Ga m - n N, where 0 ⁇ m ⁇ 1, 0 ⁇ n ⁇ 1 and m + n ⁇ 1. This material does not necessarily have a III-nitride compound semiconductor material, preferably Al m In y
  • the above formula contains only the essential constituents of the crystal lattice (Al, In, Ga, N), even if these may be partially replaced by small amounts of other substances.
  • the nitride compound semiconductor device is according to
  • the semiconductor layer sequence contains in particular an active layer of the optoelectronic component.
  • Example a light-emitting diode layer sequence.
  • the active layer is in particular one during operation of the component
  • Radiation-emitting layer for example, as a pn junction, as a double heterostructure, as a single quantum well structure or multiple quantum well structure
  • the light-emitting diode layer sequence may include, for example, an n-type semiconductor region and a p-type semiconductor region
  • the buffer layer is provided with an in
  • the buffer layer advantageously has one varying material composition, such that a lateral lattice constant of the buffer layer gradually or continuously increases in a first region and in a second region, that of the first region in the growth direction
  • the lateral lattice constant is to be understood here and below as meaning the lattice constant in the direction perpendicular to the direction of growth.
  • the buffer layer preferably consists exclusively of the first region and the second region, i. the buffer layer has no further regions apart from the first region and the second region following in the growth direction.
  • the buffer layer has a smaller lateral lattice constant than a semiconductor layer of the semiconductor layer sequence adjoining the buffer layer.
  • Buffer layer having such a varying lattice constant, a particularly low defect density in the
  • Lattice constant of the buffer layer in the second region is gradually or continuously reduced so that they are at the interface to the subsequent
  • Interface to the semiconductor layer sequence addition but end in the region of the interface.
  • the buffer layer has a smaller lateral
  • Lattice constant has as the adjacent semiconductor layer of the semiconductor layer sequence, the
  • the spatial variation of the lattice constant of the buffer layer in the growth direction takes place in that the
  • Material composition is gradually or continuously changed during growth. This is preferably realized by the fact that the aluminum content x of the material Al x In y Gai x - y N of the buffer layer decreases in the first region and increases again in the second region. Since the
  • Lattice constant is reduced in this material system with increasing aluminum content, is achieved in this way that the lattice constant increases in the first region and decreases in the second region.
  • the buffer layer can be
  • the buffer layer advantageously has an aluminum content x.sub.0.8, preferably 0.times.0.9, at an interface with the growth substrate.
  • the buffer layer has AIN at the interface with the growth substrate.
  • the aluminum content x in the buffer layer advantageously has a minimum, wherein at least x ⁇ 0.6, preferably x -S 0.2, particularly preferably x -S 0.1 applies.
  • the aluminum content is gradually or continuously reduced in the first range to decrease to a value of x ⁇ 0.6, preferably x-S 0.2 or even x ⁇ 0.1, and in the following second range is increased again gradually or continuously.
  • Aluminum content x is thus reached at the boundary between the first region and the second region.
  • the buffer layer advantageously has an aluminum content x.gtoreq.0.6, preferably x.sub.0.8 or even x.gtoreq.0.9.
  • a semiconductor layer of the semiconductor layer sequence adjoining the buffer layer preferably has Al m In n Ga m - n N, where m ⁇ 0.5. Preferably, m ⁇ 0.2 or even m ⁇ 0.1.
  • the adjacent to the buffer layer semiconductor layer of the semiconductor layer sequence thus advantageously has a much lower aluminum content than the buffer layer at the interface to the semiconductor layer sequence.
  • the silicon surface of the growth substrate is a (111) plane.
  • the (111) plane of a silicon crystal is particularly well suited for growing a hexagonal nitride compound semiconductor material due to the quasi-hexagonal crystal structure.
  • the semiconductor layer sequence is advantageously connected to a carrier substrate on a surface lying opposite the growth substrate. Since the carrier substrate does not have to be suitable for growing a nitride compound semiconductor material, it can advantageously be selected on the basis of other criteria, in particular a good thermal and / or electrical conductivity. In the case of an optoelectronic nitride compound semiconductor device, before the semiconductor layer sequence is connected to the carrier substrate, a mirror layer can be applied to the semiconductor substrate
  • Semiconductor layer sequence can be applied to those emitted during operation of the optoelectronic nitride compound semiconductor device in the direction of the carrier substrate
  • the buffer layer can be at least partially removed, for example by an etching process.
  • the remaining remainder of the buffer layer is on in this case arranged the radiation exit side of the optoelectronic component.
  • Figure 1 is applied to a silicon substrate
  • FIG. 3 shows a coating applied to a silicon substrate
  • Figure 4 is a graph of measured
  • Growth substrate 1 is provided, which has a silicon surface.
  • the growth substrate 1 can
  • the growth substrate 1 for example, be a silicon wafer.
  • the growth substrate 1 it is also possible for the growth substrate 1 to be an SOI substrate.
  • the silicon surface of the growth substrate 1 is preferably a (111) crystal plane which, because of its hexagonal symmetry, is particularly good for growing
  • Nitride compound semiconductors is suitable. Then Nitride compound semiconductors is suitable. The
  • Nitride compound semiconductor materials used substrates of sapphire, GaN or SiC has the advantage that it is relatively inexpensive.
  • a buffer layer 2 of Al x In y Gai- x - y N is first grown in the method with O.sub.x 1, O.sub.y 1 and x + y ⁇ 1.
  • the indium component y 0, ie the buffer layer has Al x Ga x -N with 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • the illustrated embodiment the
  • Material composition of the buffer layer 2 during growth has been varied such that the lateral lattice constant of the buffer layer 2 in a first region 2a continuously increases and decreases continuously in a subsequent in the growth direction second region 2b.
  • Embodiment is a light-emitting diode layer sequence is shown schematically in Figure 1.
  • the aluminum content x of the buffer layer 2 is at the interface between the growth substrate 1 and the
  • the aluminum content x initially decreases continuously in the first region 2a. This has the consequence that the lateral lattice constant of the
  • Nitride compound semiconductor material continuously increased.
  • the aluminum content x reaches a minimum and, correspondingly, the lattice constant of the nitride compound semiconductor material reaches a maximum.
  • the aluminum component x advantageously has a
  • a next step a
  • the semiconductor layer sequence 3 is the light-emitting diode layer sequence of an optoelectronic component.
  • Light-emitting diode layer sequence 3 is based on a nitride compound semiconductor.
  • the light-emitting diode layer sequence 3 contains in particular an active layer 5 which is suitable for the emission of radiation.
  • the active layer 5 may be formed, for example, as a pn junction, a double heterostructure, a single quantum well structure, or a multiple quantum well structure.
  • Designation Quantum well structure includes any
  • Quantum well structure no information about the dimensionality of the quantization. It thus includes quantum wells, quantum wires and quantum dots and any combination of these structures.
  • the light-emitting diode layer sequence 3 contains at least one semiconductor layer 4 of a first conductivity type and at least one semiconductor layer 6 of a second
  • the aluminum content of the buffer layer 2 is preferably increased continuously in the second region 2b in such a way that the aluminum content at the interface to the
  • Light emitting diode layer sequence 3 is greater than that Aluminum content of the semiconductor layer 4 of
  • Light-emitting diode layer sequence 3 which adjoins the buffer layer 2.
  • the semiconductor layer 4 adjoining the light-emitting diode layer sequence 3 advantageously has Al m In n Ga m - n N, where m ⁇ 0.5. In particular, m ⁇ 0.2 or even m ⁇ 0.1. Due to the fact that the aluminum content of the
  • Buffer layer 2 adjacent semiconductor layer 4 is smaller than the aluminum content of the buffer layer 2 at the
  • the adjacent to the buffer layer 2 semiconductor layer 4 is grown with a compressive strain. This has the advantage that a tensile stress, the cooling of the
  • Layer system can occur from the growth temperature to room temperature, counteracted.
  • Embodiment of the method for producing a nitride compound semiconductor device shown The layer sequence differs from the embodiment of Figure 1 in that the aluminum content x in the
  • Buffer layer 2 is not continuous, but varies gradually. In a first region 2a facing the growth substrate 1, the aluminum content x in the buffer layer 2 gradually decreases and decreases in one of the
  • the buffer layer 2 has a plurality of partial layers in the first region 2a, wherein the aluminum content x decreases step by step from partial layer to partial layer. Furthermore, the buffer layer has a plurality of partial layers in the second region 2b, wherein the
  • Aluminum content x gradually increases from partial layer to partial layer.
  • the second embodiment corresponds to the first embodiment described above.
  • a layer sequence on a growth substrate 1 made of silicon is not
  • the buffer layer 2 at the interface with the light-emitting diode layer sequence 3 has substantially the same lattice constant as that of the buffer layer 2
  • Layer sequence Sl is less than in the layer sequence S3, which was prepared according to the comparative example not according to the invention.
  • Reflections in the examination by means of X-ray diffraction indicate a reduced defect density of the layer sequence in the exemplary embodiment according to the invention.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Nitridverbindungshalbleiter-Bauelementsangegeben, mit den Schritten: - Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (1) mit einer Siliziumoberfläche, - Aufwachsen einer Pufferschicht (2), die A1xInyGa1-x-yN mit 0≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x + y ≤ 1 aufweist, auf die Siliziumoberfläche, - Aufwachsen einer Halbleiterschichtenfolge (3) auf die Pufferschicht (2), wobei - die Pufferschicht (2) eine derart variierende Materialzusammensetzung aufweist, dass eine laterale Gitterkonstante der Pufferschicht (2) in einem ersten Bereich (2a) schrittweise oder kontinuierlich zunimmt und in einem zweiten Bereich (2b), der dem ersten Bereich in Wachstumsrichtung nachfolgt, schrittweise oder kontinuierlich abnimmt, und - die Pufferschicht (2) an einer Grenzfläche zur Halbleiterschichtenfolge (3) eine kleinere laterale Gitterkonstante aufweist als eine an die Pufferschicht (2) angrenzende Halbleiterschicht (4) der Halbleiterschichtenfolge (3).

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Nitridverbindungshalbleiter- Bauelements
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements auf einem Substrat mit einer Silizium-Oberfläche. Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2013 106 044.7, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Nitridverbindungshalbleiter werden häufig in LEDs oder
Laserdioden eingesetzt, die in der Regel im blauen
Spektralbereich emittieren. Abhängig von der Zusammensetzung des Halbleitermaterials ist beispielsweise auch eine Emission im ultravioletten oder grünen Spektralbereich möglich. Durch Lumineszenzkonversion mittels Leuchtstoffen kann die
kurzwellige Strahlung zu größeren Wellenlängen hin
konvertiert werden. Auf diese Weise ist es möglich,
mischfarbiges Licht, insbesondere Weißlicht, zu erzeugen. Auf Nitridverbindungshalbleitern basierende LEDs sind daher für LED-Beleuchtungssysteme von erheblicher Bedeutung.
Bei der Herstellung von optoelektronischen Bauelementen werden die Nitridverbindungshalbleiterschichten in der Regel epitaktisch auf ein Aufwachssubstrat aufgewachsen, das an die Gitterkonstante und die Kristallstruktur des
Nitridverbindungshalbleitermaterials angepasst ist. Geeignete Substratmaterialien sind insbesondere Saphir, GaN oder SiC. Diese Substratmaterialien sind allerdings vergleichsweise teuer . Das Aufwachsen von Nitridverbindungshalbleitern auf
vergleichsweise kostengünstigen Siliziumsubstraten wird durch eine vergleichsweise große Differenz der thermischen
Ausdehnungskoeffizienten des Siliziums und des
Nitridverbindungshalbleitermaterials erschwert. Insbesondere werden beim Abkühlen des Schichtsystems von der zum
Aufwachsen von Nitrid-Verbindungshalbleitern verwendeten Wachstumstemperatur von etwa 1000 °C auf Raumtemperatur große tensile Verspannungen im GaN erzeugt.
In den Druckschriften DE 10 2006 008 929 AI und
WO 2011/039181 AI werden jeweils Verfahren zur Herstellung von Nitridverbindungshalbleiter-Bauelementen auf
Siliziumsubstraten beschrieben. Aus diesen Druckschriften ist bekannt, zwischen der Silizium-Oberfläche des
Aufwachssubstrats und der funktionellen Schichtenfolge des optoelektronischen Bauelements eine Schichtstruktur zur
Erzeugung einer kompressiven Verspannung einzubauen, welche der beim Abkühlen durch das Silizium erzeugten tensilen
Verspannung entgegenwirkt.
Die Druckschrift WO 2013/045355 AI beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Nitridverbindungshalbleiter-Bauelementen auf Siliziumsubstraten, bei dem zwischen dem Siliziumsubstrat und der funktionellen Schichtenfolge des optoelektronischen Bauelements eine Schichtstruktur angeordnet ist, in die eine Maskierungsschicht aus einem Siliziumnitrid-haltigen Material eingebettet ist. Durch das Einbetten der Maskierungsschicht wird eine Reduzierung der Versetzungsdichte erzielt. Das
Einbetten einer Schicht aus einem Material wie beispielsweise Siliziumnitrid, das nicht zum Materialsystem der übrigen Halbleiterschichten gehört, ist allerdings mit einem erhöhten Herstellungsaufwand verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weiter
verbessertes Verfahren zur Herstellung eines
Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements auf einem Substrat mit einer Silizium-Oberfläche anzugeben, durch das besonders geringe Defektdichten in der Halbleiterschichtenfolge erzielt werden können, und das sich durch einen vergleichsweise geringen Herstellungsaufwand auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird zunächst ein Aufwachssubstrat mit einer Siliziumoberfläche bereitgestellt. Das Aufwachssubstrat kann insbesondere ein Siliziumsubstrat sein. Das Aufwachssubstrat kann alternativ auch ein SOI-Substrat (Silicon On Insulator) sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren eine Pufferschicht, die AlxInyGai-x-yN mit O ^ x ^ l, O ^ y ^ l und x + y < 1 aufweist, auf die Siliziumoberfläche
aufgewachsen. Bevorzugt weist die Pufferschicht AlxGai-xN mit 0 < x < 1 auf.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die
Halbleiterschichtenfolge des Nitridverbindungshalbleiter- Bauelements auf die Pufferschicht aufgewachsen. Die
Halbleiterschichtenfolge basiert auf einem Nitrid- Verbindungshalbleiter. „Auf einem Nitridverbindungshalbleiter basierend" bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass die Halbleiterschichtenfolge oder zumindest eine Schicht davon ein III-Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, vorzugsweise AlmInyGai-m-nN umfasst, wobei 0 < m < 1, 0 < n < 1 und m + n < 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 AlmInyGai- m-nN -Materials im Wesentlichen nicht ändern. Der Einfachheit halber beinhaltet obige Formel jedoch nur die wesentlichen Bestandteile des Kristallgitters (AI, In, Ga , N) , auch wenn diese teilweise durch geringe Mengen weiterer Stoffe ersetzt sein können.
Das Nitridverbindungshalbleiter-Bauelement ist gemäß
zumindest einer Ausgestaltung ein optoelektronisches
Bauelement. Die Halbleiterschichtenfolge enthält insbesondere eine aktive Schicht des optoelektronischen Bauelements. Bei dieser Ausgestaltung ist die Halbleiterschichtenfolge zum
Beispiel eine Leuchtdiodenschichtenfolge . Die aktive Schicht ist insbesondere eine beim Betrieb des Bauelements
Strahlungsemittierende Schicht, die zum Beispiel als pn- Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach- Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur
ausgebildet sein kann. Zusätzlich zur aktiven Schicht kann die Leuchtdiodenschichtenfolge beispielsweise einen n-Typ Halbleiterbereich und einen p-Typ Halbleiterbereich
aufweisen, welche die aktive Schicht umgeben.
Bei dem Verfahren wird die Pufferschicht mit einer in
Wachstumsrichtung variierenden Materialzusammensetzung aufgewachsen. Die Pufferschicht weist vorteilhaft eine derart variierende Materialzusammensetzung auf, dass eine laterale Gitterkonstante der Pufferschicht in einem ersten Bereich schrittweise oder kontinuierlich zunimmt und in einem zweiten Bereich, der dem ersten Bereich in Wachstumsrichtung
nachfolgt, schrittweise oder kontinuierlich abnimmt. Unter der lateralen Gitterkonstante ist hier und im Folgenden die Gitterkonstante in der senkrecht zur Wachstumsrichtung verlaufenden Richtung zu verstehen. Die Pufferschicht besteht vorzugsweise ausschließlich aus dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich, d.h. die Pufferschicht weist außer dem ersten Bereich und dem in Wachstumsrichtung nachfolgenden zweiten Bereich keine weiteren Bereiche auf.
An einer Grenzfläche zur Halbleiterschichtenfolge weist die Pufferschicht eine kleinere laterale Gitterkonstante auf als eine an die Pufferschicht angrenzende Halbleiterschicht der Halbleiterschichtenfolge .
Es hat sich herausgestellt, dass sich mit einer
Pufferschicht, die eine derart variierende Gitterkonstante aufweist, eine besonders geringe Defektdichte in der
Halbleiterschichtenfolge erzielen lässt. Dies wird
insbesondere dadurch erreicht, dass die laterale
Gitterkonstante der Pufferschicht in dem zweiten Bereich derart schrittweise oder kontinuierlich verringert wird, dass sie an der Grenzfläche zur nachfolgenden
Halbleiterschichtenfolge kleiner ist als die an die
Pufferschicht angrenzende Halbleiterschicht der
Halbleiterschichtenfolge. An der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht und der Halbleiterschichtenfolge tritt daher ein Sprung der Gitterkonstante auf. Durch diese sprunghafte Änderung der Gitterkonstante kann eine Defektreduktion erreicht werden, da Defekte an der Grenzfläche zur Halbleiterschichtenfolge abknicken. Insbesondere breiten sich Defekte in der Pufferschicht nicht wesentlich über die
Grenzfläche zur Halbleiterschichtenfolge hinaus aus, sondern enden im Bereich der Grenzfläche.
Dadurch, dass die Pufferschicht eine kleinere laterale
Gitterkonstante als die angrenzende Halbleiterschicht der Halbleiterschichtenfolge aufweist, wird die
Halbleiterschichtenfolge kompressiv verspannt aufgewachsen. Zur Erzeugung der kompressiven Verspannung ist es vorteilhaft nicht erforderlich, in die Pufferschicht zusätzliche
Zwischenschichten zur Erzeugung der kompressiven Verspannung einzubauen. Die in der Halbleiterschichtenfolge erzeugte kompressive Verspannung hat den Vorteil, dass sie beim
Abkühlen des Schichtsystems von der Wachstumstemperatur auf Raumtemperatur einer durch das Aufwachssubstrat erzeugten tensilen Verspannung entgegenwirkt.
Die räumliche Variation der Gitterkonstante der Pufferschicht in Wachstumsrichtung erfolgt dadurch, dass die
Materialzusammensetzung während des Aufwachsens schrittweise oder kontinuierlich verändert wird. Bevorzugt wird diese dadurch realisiert, dass der Aluminiumanteil x des Materials AlxInyGai-x-yN der Pufferschicht in dem ersten Bereich abnimmt und in dem zweiten Bereich wieder zunimmt. Da sich die
Gitterkonstante in diesem Materialsystem mit zunehmendem Aluminiumanteil vermindert, wird auf diese Weise erreicht, dass die Gitterkonstante in dem ersten Bereich zunimmt und in dem zweiten Bereich abnimmt. Die Pufferschicht kann
insbesondere AlxGai-xN mit 0 < x < 1 aufweisen, wobei der Aluminiumanteil x in Wachstumsrichtung variiert wird. Die Pufferschicht weist an einer Grenzfläche zum Aufwachssubstrat vorteilhaft einen Aluminiumanteil x ^ 0,8, bevorzugt x ^ 0,9 auf. Insbesondere kann der Aluminiumanteil an der Grenzfläche zum Aufwachsubstrat sogar x = 1 betragen. In diesem Fall weist die Pufferschicht an der Grenzfläche zum Aufwachssubstrat AIN auf.
Der Aluminiumanteil x in der Pufferschicht weist vorteilhaft ein Minimum auf, wobei im Minimum x < 0,6, bevorzugt x -S 0,2, besonders bevorzugt x -S 0,1 gilt. Der Aluminiumanteil wird mit anderen Worten in dem ersten Bereich schrittweise oder kontinuierlich derart vermindert, dass er bis auf einen Wert von x < 0,6, bevorzugt x -S 0,2 oder sogar x < 0,1, absinkt, und in dem nachfolgenden zweiten Bereich wieder schrittweise oder kontinuierlich erhöht wird. Das Minimum des
Aluminiumanteils x wird also an der Grenze zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich erreicht.
An einer Grenzfläche zur Halbleiterschichtenfolge weist die Pufferschicht vorteilhaft einen Aluminiumanteil x ^ 0,6, bevorzugt x ^ 0,8 oder sogar x > 0,9 auf.
Insbesondere kann der Aluminiumanteil an der Grenzfläche zur Halbleiterschichtenfolge x = 1 betragen. In diesem Fall weist die Pufferschicht an der Grenzfläche zur
Halbleiterschichtenfolge AIN auf.
Eine an die Pufferschicht angrenzende Halbleiterschicht der Halbleiterschichtenfolge weist vorzugsweise AlmInnGai-m-nN auf, wobei m < 0,5 ist. Bevorzugt ist m < 0,2 oder sogar m < 0,1. Die an die Pufferschicht angrenzende Halbleiterschicht der Halbleiterschichtenfolge weist also vorteilhaft einen wesentlich geringeren Aluminiumanteil als die Pufferschicht an der Grenzfläche zur Halbleiterschichtenfolge auf.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Silizium- Oberfläche des Aufwachssubstrats eine (111) -Ebene. Die (111)- Ebene eines Siliziumkristalls ist aufgrund der quasi- hexagonalen Kristallstruktur besonders gut zum Aufwachsen eines hexagonalen Nitrid-Verbindungshalbleiter-Materials geeignet .
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das Aufwachssubstrat nach dem Aufwachsen der
Halbleiterschichtenfolge abgelöst. Bei dieser Ausgestaltung wird die Halbleiterschichtenfolge vorteilhaft an einer dem Aufwachssubstrat gegenüber liegenden Oberfläche mit einem Trägersubstrat verbunden. Da das Trägersubstrat nicht zum Aufwachsen eines Nitrid-Verbindungshalbleitermaterials geeignet sein muss, kann es vorteilhaft anhand von anderen Kriterien, insbesondere einer guten thermischen und/oder elektrischen Leitfähigkeit, ausgewählt werden. Im Fall eines optoelektronisches Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements kann vor dem Verbinden der Halbleiterschichtenfolge mit dem Trägersubstrat eine Spiegelschicht auf die
Halbleiterschichtenfolge aufgebracht werden, um die beim Betrieb des optoelektronischen Nitridverbindungshalbleiter- Bauelements in Richtung des Trägersubstrats emittierte
Strahlung zu einer dem Trägersubstrat gegenüberliegenden Strahlungsaustrittsfläche zu reflektieren. Nach dem Ablösen des Aufwachssubstrats kann die Pufferschicht zumindest teilweise, beispielsweise mit einem Ätzverfahren, entfernt werden. Ein im optoelektronischen Bauelement
verbleibender Rest der Pufferschicht ist in diesem Fall an der Strahlungsaustrittseite des optoelektronischen Bauelements angeordnet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine auf ein Siliziumsubstrat aufgebrachte
Schichtenfolge bei einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines
Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements ,
Figur 2 eine auf ein Siliziumsubstrat aufgebrachte
Schichtenfolge bei einem weiteren
Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements ,
Figur 3 eine auf ein Siliziumsubstrat aufgebrachte
Schichtenfolge bei einem nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel, und
Figur 4 eine graphische Darstellung gemessener
Halbwertsbreiten von Röntgenbeugungsreflexen der Schichtenfolge gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 im Vergleich zur Schichtenfolge bei dem Vergleichsbeispiel der Figur 3. Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die
dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen .
Bei dem Verfahren wird, wie in Figur 1 dargestellt, ein
Aufwachssubstrat 1 bereitgestellt, das eine Silizium- Oberfläche aufweist. Das Aufwachssubstrat 1 kann
beispielsweise ein Silizium-Wafer sein. Alternativ ist es aber auch möglich, dass das Aufwachssubstrat 1 ein SOI- Substrat ist. Die Silizium-Oberfläche des Aufwachssubstrats 1 ist vorzugsweise eine (111) -Kristallebene, die wegen ihrer hexagonalen Symmetrie besonders gut zum Aufwachsen von
Nitridverbindungshalbleitern geeignet ist. Das
Aufwachssubstrat 1 mit der Silizium-Oberfläche hat im
Vergleich zu in der Regel zum Aufwachsen von
Nitridverbindungshalbleitermaterialien verwendeten Substraten aus Saphir, GaN oder SiC den Vorteil, dass es vergleichsweise kostengünstig ist.
Auf die Silizium-Oberfläche des Aufwachssubstrats 1 wird bei dem Verfahren zunächst eine Pufferschicht 2 aus AlxInyGai-x-yN mit O ^ x ^ l, O ^ y ^ l und x + y < 1 aufgewachsen. Bei dem Ausführungsbeispiel ist der Indium-Anteil y = 0, d.h. die Pufferschicht weist AlxGai-x-N mit 0 ^ x ^ 1 auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die
Materialzusammensetzung der Pufferschicht 2 beim Aufwachsen derart variiert worden, dass die laterale Gitterkonstante der Pufferschicht 2 in einem ersten Bereich 2a kontinuierlich zunimmt und in einem in Wachstumsrichtung nachfolgenden zweiten Bereich 2b kontinuierlich abnimmt.
Dies wird dadurch realisiert, dass der Aluminiumanteil x des Nitridverbindungshalbleiter-Materials der Pufferschicht 2 während des Aufwachsens variiert wird. Der Verlauf des Aluminiumanteils x in der Pufferschicht 2 und einer
angrenzenden Halbleiterschicht 4 der auf die Pufferschicht 2 aufgewachsenen Halbleiterschichtenfolge 3, die bei dem
Ausführungsbeispiel eine Leuchtdiodenschichtenfolge ist, ist in Figur 1 schematisch dargestellt.
Der Aluminiumanteil x der Pufferschicht 2 beträgt an der Grenzfläche zwischen dem Aufwachssubstrat 1 und der
Pufferschicht 2 vorteilhaft x ^ 0,8, bevorzugt x ^ 0,9, insbesondere x = 1 wie bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel .
Ausgehend vom Aufwachssubstrat 1 nimmt der Aluminiumanteil x in dem ersten Bereich 2a zunächst kontinuierlich ab. Dies hat zur Folge, dass sich die laterale Gitterkonstante des
Nitridverbindungshalbleiter-Materials kontinuierlich erhöht. Zwischen dem ersten Bereich 2a und dem zweiten Bereich 2b erreicht der Aluminiumanteil x ein Minimum und entsprechend die Gitterkonstante des Nitridverbindungshalbleiter-Materials ein Maximum. Zwischen dem ersten Bereich 2a und dem zweiten Bereich 2b weist der Aluminiumanteil x vorteilhaft ein
Minimum auf, in dem x < 0,6, bevorzugt x ^ 0,2 oder sogar x < 0,1 gilt. In dem zweiten Bereich 2b der Pufferschicht 2, der dem ersten Bereich 2a in Wachstumsrichtung nachfolgt, steigt der
Aluminiumanteil x der Pufferschicht 2 wieder kontinuierlich an. An der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht 2 und der angrenzenden Halbleiterschicht 4 der
Leuchtdiodenschichtenfolge 3 erreicht der Aluminiumanteil x einen Wert von vorteilhaft x ^ 0,6, bevorzugt x ^ 0,8 oder sogar x = 1 wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel. In einem nächsten Verfahrensschritt wird eine
Halbleiterschichtenfolge 3 auf die zuvor aufgewachsene
Pufferschicht 2 aufgewachsen. Bei dem Ausführungsbeispiel ist die Halbleiterschichtenfolge 3 die Leuchtdiodenschichtenfolge eines optoelektronischen Bauelements. Die
Leuchtdiodenschichtenfolge 3 basiert auf einem Nitrid- Verbindungshalbleiter .
Die Leuchtdiodenschichtenfolge 3 enthält insbesondere eine aktive Schicht 5, die zur Emission von Strahlung geeignet ist. Die aktive Schicht 5 kann zum Beispiel als pn-Übergang, als Doppelheterostruktur, als Einfach-Quantentopfstruktur oder Mehrfach-Quantentopfstruktur ausgebildet sein. Die
Bezeichnung Quantentopfstruktur umfasst dabei jegliche
Struktur, bei der Ladungsträger durch Einschluss
(Confinement ) eine Quantisierung ihrer Energiezustände erfahren. Insbesondere beinhaltet die Bezeichnung
Quantentopfstruktur keine Angabe über die Dimensionalität der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen .
Weiterhin enthält die Leuchtdiodenschichtenfolge 3 mindestens eine Halbleiterschicht 4 eines ersten Leitungstyps und mindestens eine Halbleiterschicht 6 eines zweiten
Leitungstyps, wobei die mindestens eine Halbleiterschicht 4 beispielsweise n-dotiert und die mindestens eine
Halbleiterschicht 6 beispielsweise p-dotiert ist. Der Aluminiumanteil der Pufferschicht 2 wird vorzugsweise in dem zweiten Bereich 2b derart kontinuierlich erhöht, dass der Aluminiumanteil an der Grenzfläche zur
Leuchtdiodenschichtenfolge 3 größer ist als der Aluminiumanteil der Halbleiterschicht 4 der
Leuchtdiodenschichtenfolge 3, welche an die Pufferschicht 2 angrenzt. Die an die Leuchtdiodenschichtenfolge 3 angrenzende Halbleiterschicht 4 weist vorteilhaft AlmInnGai-m-nN auf, wobei m < 0,5 ist. Insbesondere kann m < 0,2 oder sogar m < 0,1 gelten. Dadurch, dass der Aluminiumanteil der an die
Pufferschicht 2 angrenzenden Halbleiterschicht 4 kleiner ist als der Aluminiumanteil der Pufferschicht 2 an der
Grenzfläche zur Leuchtdiodenschichtenfolge 3, wird die an die Pufferschicht 2 angrenzende Halbleiterschicht 4 mit einer kompressiven Verspannung aufgewachsen. Dies hat den Vorteil, dass einer tensilen Verspannung, die beim Abkühlen des
Schichtsystems von der Wachstumstemperatur auf Raumtemperatur auftreten kann, entgegengewirkt wird.
In Figur 2 ist eine Schichtenfolge bei einem weiteren
Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Herstellung eines Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements dargestellt. Die Schichtenfolge unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 dadurch, dass der Aluminiumanteil x in der
Pufferschicht 2 nicht kontinuierlich, sondern schrittweise variiert. In einem dem Aufwachssubstrat 1 zugewandten ersten Bereich 2a nimmt der Aluminiumanteil x in der Pufferschicht 2 schrittweise ab und nimmt in einem der
Leuchtdiodenschichtenfolge 3 zugewandten zweiten Bereich 2b wieder schrittweise zu. Die Pufferschicht 2 weist mit anderen Worten in dem ersten Bereich 2a mehrere Teilschichten auf, wobei der Aluminiumanteil x von Teilschicht zu Teilschicht stufenweise abnimmt. Weiterhin weist die Pufferschicht in dem zweiten Bereich 2b mehrere Teilschichten auf, wobei der
Aluminiumanteil x von Teilschicht zu Teilschicht stufenweise zunimmt . Hinsichtlich der Vorteile und weiterer vorteilhafter
Ausgestaltungen entspricht das zweite Ausführungsbeispiel dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. In Figur 3 ist zum Vergleich eine Schichtenfolge auf einem Aufwachssubstrat 1 aus Silizium bei einem nicht
erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel zur Herstellung eines optoelektronischen Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements dargestellt. Bei diesem Vergleichsbeispiel wird der
Aluminiumanteil x der Pufferschicht 2 ausgehend von dem
Aufwachssubstrat 1 in herkömmlicher Weise in
Wachstumsrichtung kontinuierlich verringert, um den
Aluminiumanteil an den Aluminiumanteil der an die
Pufferschicht 2 angrenzenden Halbleiterschicht 4 der
Leuchtdiodenschichtenfolge 3 anzupassen. Bei dieser
Vorgehensweise weist die Pufferschicht 2 an der Grenzfläche zur Leuchtdiodenschichtenfolge 3 im Wesentlichen die gleiche Gitterkonstante auf wie die an die Pufferschicht 2
angrenzende Halbleiterschicht 4 der
Leuchtdiodenschichtenfolge 3. Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen der Figur 1 und der Figur 2 tritt daher an der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht 2 und der Leuchtdiodenschichtenfolge 3 keine sprunghafte
Änderung der Gitterkonstante des
Nitridverbindungshalbleitermaterials auf.
In Figur 4 ist die volle Halbwertsbreite (FWHM - Füll Width at Half Maximum) der Röntgenbeugungsreflexe der
Kristallebenen (002), (102) und (201) für die Schichtenfolge des Ausführungsbeispiels der Figur 1 (Sl) und die
Schichtenfolge des Vergleichsbeispiels der Figur 3 (S3) dargestellt. Der Vergleich zeigt, dass die volle
Halbwertsbreite der gemessenen Röntgenbeugungsreflexe bei der gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren hergestellten
Schichtenfolge Sl geringer ist als bei der Schichtenfolge S3, die gemäß dem nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel hergestellt wurde. Die geringeren Halbwertsbreiten der
Reflexe bei der Untersuchung mittels Röntgenbeugung weisen auf eine verringerte Defektdichte der Schichtenfolge bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel hin.
In Transmissionselektronenmikroskopaufnahmen (nicht
dargestellt) der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Schichtenfolge wurde festgestellt, dass
insbesondere Versetzungen aufgrund des Sprungs der lateralen Gitterkonstante an der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht und der Halbleiterschichtenfolge abknicken. Weiterhin tritt eine Reduktion der Versetzungen an der Grenzfläche zwischen der Pufferschicht und der darauf aufgebrachten
Halbleiterschichtenfolge aufgrund von Annihilation auf.
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 Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines
Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements ,
mit den Schritten:
Bereitstellen eines Aufwachssubstrats (1) mit einer Siliziumoberfläche,
Aufwachsen einer Pufferschicht (2), die AlxInyGai-x-yN mit O ^ x ^ l, O ^ y ^ l und x + y < 1 aufweist, auf die Siliziumoberfläche,
Aufwachsen einer Halbleiterschichtenfolge (3) auf die Pufferschicht (2),
wobei
die Pufferschicht (2) eine derart variierende Materialzusammensetzung aufweist, dass eine laterale Gitterkonstante der Pufferschicht (2) in einem ersten Bereich (2a) schrittweise oder kontinuierlich zunimmt und in einem zweiten Bereich (2b) , der dem ersten Bereich in Wachstumsrichtung nachfolgt, schrittweise oder kontinuierlich abnimmt, und
die Pufferschicht (2) an einer Grenzfläche zur Halbleiterschichtenfolge (3) eine kleinere laterale Gitterkonstante aufweist als eine an die
Pufferschicht (2) angrenzende Halbleiterschicht (4) der Halbleiterschichtenfolge (3) .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
wobei die Pufferschicht AlxGai-xN mit 0 ^ x ^ 1 aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Aluminiumanteil x der Pufferschicht ausgehend vom Aufwachssubstrat (1) in dem ersten Bereich (2a) abnimmt und in dem zweiten (2b) Bereich zunimmt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Pufferschicht (2) an einer Grenzfläche zum Aufwachssubstrat (1) einen Aluminiumanteil x ^ 0,8.
aufweist .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Pufferschicht (2) an einer Grenzfläche zum Aufwachssubstrat (1) einen Aluminiumanteil x ^ 0,9.
aufweist .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Aluminiumanteil x in der Pufferschicht (2) ein Minimum aufweist, wobei im Minimum x < 0,6 gilt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Aluminiumanteil x in der Pufferschicht (2) ein Minimum aufweist, wobei im Minimum x < 0,2 gilt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Pufferschicht (2) an einer Grenzfläche zur Halbleiterschichtenfolge (3) einen Aluminiumanteil x ^ 0 , 6 aufweist .
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Pufferschicht (2) an einer Grenzfläche zur Halbleiterschichtenfolge (3) einen Aluminiumanteil x ^ 0 , 8 aufweist .
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei eine an die Pufferschicht (2) angrenzende
Halbleiterschicht (4) der Halbleiterschichtenfolge (3) AlmInnGai-m-nN aufweist, wobei m < 0,5 ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine an die Pufferschicht (2) angrenzende
Halbleiterschicht (4) der Halbleiterschichtenfolge (3) AlmInnGai-m-nN aufweist, wobei m < 0,2 ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Siliziumoberfläche eine (111) -Ebene ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Aufwachsubstrat (1) nach dem Aufwachsen der Halbleiterschichtenfolge (3) abgelöst wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halbleiterschichtenfolge (3) an einer dem Aufwachsubstrat (1) gegenüberliegenden Seite mit einem Trägersubstrat verbunden wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Nitridverbindungshalbleiter-Bauelement ein optoelektronisches Bauelement ist, und die
Halbleiterschichtenfolge (3) eine aktive Schicht (5) aufweist .
16. Verfahren nach Anspruch 15,
wobei die Halbleiterschichtenfolge (3) eine
Leuchtdiodenschichtenfolge ist.
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