WO2015158658A1 - Verfahren zur herstellung einer schichtstruktur als pufferschicht eines halbleiterbauelements sowie schichtstruktur als pufferschicht eines halbleiterbauelements - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer schichtstruktur als pufferschicht eines halbleiterbauelements sowie schichtstruktur als pufferschicht eines halbleiterbauelements Download PDF

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Werner Bergbauer
Jürgen OFF
Peter Stauss
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Definitions

  • Buffer layer of a semiconductor device as well
  • the documents DE 10 2006 008 929 AI, DE 10 2009 047 881 AI, DE 10 2010 035 489 AI and WO 2011/039181 AI each describe a layer structure as a buffer layer of a
  • An object to be solved is to specify a method for producing a layer structure as a buffer layer of a semiconductor component, which has the highest possible crystalline quality. Another to be solved
  • Task is a layer structure with a
  • a layer such as the buffer layer, in particular a
  • Layer stack meant. A layer structure with a high crystalline quality is characterized in particular by the fact that little
  • Crystal defects such as dislocations, defects and / or defects, in the crystal lattice at least in
  • Regions of the layer structure for example, on an adjacent to air and / or other layers growth surface of the layer structure can be found.
  • a method for producing a layer structure as a buffer layer of a semiconductor component is specified. In the semiconductor device, on the layer structure
  • Semiconductor component comprises in particular gallium and / or nitrogen.
  • gallium for example, it is in the
  • Semiconductor device to a photodiode, a light emitting diode, a laser diode, a transistor and / or an integrated circuit. Generally, it can be at the
  • Semiconductor device to act a device comprising, for example, gallium and / or nitrogen.
  • the semiconductor component is preferably applied to the layer structure
  • a carrier is first provided.
  • the carrier can be, for example, a temporary carrier which is removed again in a subsequent method step, or else a carrier which is in accordance with the
  • the carrier may in particular be a substrate.
  • the carrier has a main extension plane in which it extends in lateral directions. Perpendicular to
  • Main extension plane in the vertical direction, the carrier has a thickness.
  • the thickness of the carrier is small compared to the maximum extent of the carrier in a lateral
  • a major plane of the carrier forms a silicon surface of the carrier. Perpendicular to the main extension plane runs a stacking direction of the layer structure.
  • the carrier has the silicon surface. It is possible that the carrier is formed almost completely of silicon. "Almost completely” can here and in the
  • the material of the carrier is silicon.
  • the carrier can then consist in particular of silicon.
  • the carrier consists of several elements
  • Layers is constructed, wherein one of the layers forms an outermost layer of the carrier.
  • This outermost layer may be formed with silicon.
  • this outermost layer can be formed almost completely of silicon or consist of silicon.
  • outermost layer then forms the silicon surface of the carrier.
  • a first layer sequence is deposited on the silicon surface of the carrier.
  • the first layer sequence comprises a
  • Anchor layer containing aluminum and nitrogen.
  • the material of the first layer sequence has a natural lattice constant, which differs from the
  • the natural lattice constant of the material of the silicon surface may be greater than the natural lattice constant of the material of the first layer sequence.
  • the "natural lattice constant" of a material may in this case be the lattice constant which occurs in the material used in a crystallization under ideal conditions, for example in the absence of stresses.
  • the seed layer may further contain gallium.
  • Anchor layer can thus be formed with Al n Ga m N, wherein preferably 0.95 -S n ⁇ 1 and 0 -S m ⁇ 0.05.
  • the gallium concentration m is low.
  • the Ankeim harsh may contain oxygen, wherein preferably the oxygen content of
  • Ankeim Mrs can be controlled by a targeted addition of oxygen.
  • the seed layer serves, in particular, in a manufacturing process as a protective layer, since an immediate growth of layers containing much gallium
  • Reactor chamber prevailing process conditions could lead to a chemical reaction on the silicon surface and destruction of the same.
  • a 3D GaN layer is applied to one of the silicon surfaces
  • the 3D GaN layer may be formed with gallium nitride or may consist of gallium nitride.
  • the growth of the 3D GaN layer is in particular three-dimensional. In other words, the growth conditions are set so that the growth can be described according to the so-called Volmer-Weber growth model or the Stranski-Krastanov growth model.
  • the growth rate along the stacking direction can be in the
  • the 3D GaN layer thereby has a plurality of multi-layered islands extending along a stacking direction.
  • the multi-layered islands are at least in places not laterally interconnected. In other words, it is possible that there are free spaces between at least two of the islands. Furthermore, it is possible that between a large part of the islands each free spaces are available.
  • Multilayered here and in the following means that the islands contain a plurality of monolayers which have grown over one another, a monolayer being understood here and hereinafter to mean a continuous layer of atoms or molecules, the layer height being only one atom or molecule lie in one
  • each island has a plurality of monolayers grown on top of each other, wherein the
  • Monolayers of the respective islands can at least temporarily not be connected to monolayers of neighboring islands. In a three-dimensional growth, therefore, non-closed two-dimensional monolayers for monolayers
  • Termination of the three-dimensional growth can be achieved, for example, by changing the Growth conditions to the growth conditions of the grown after the 3D GaN layer layer take place.
  • the crystal structure of the 3D GaN layer does not have its natural lattice constant, but that
  • Monolayers of the 3D GaN layer that is, the monolayers, which are closer to the top surface of the first layer sequence in the stacking direction along at least one spatial direction have a lattice constant, the value between the natural lattice constant of the material of the 3D GaN layer along said spatial direction and natural
  • the deviation from the natural lattice constant can hereby be set by the growth conditions, and monolayers of the 3D-GaN layer grown later in time can then be used have at least one lattice constant, which corresponds within the production tolerances of the natural lattice constant of the material of the 3D GaN layer.
  • a 2D-GaN layer is grown two-dimensionally on the outer surfaces of the 3D GaN layer facing away from the silicon surface.
  • the 3D GaN layer is formed by means of the
  • the 2D GaN layer is formed with gallium nitride, for example.
  • Two-dimensional growth here and below means that the
  • Growth rate along the lateral directions may be higher or equal to the growth rate along the stacking direction.
  • the growth conditions are set so that the growth according to the so-called
  • the free spaces between the multi-layered islands of the 3D GaN are preferably first of all
  • the method comprises the following steps:
  • Anchor layer containing aluminum, oxygen and nitrogen comprises, on the silicon surface of the carrier, along a stacking direction perpendicular to a
  • the idea is sometimes followed by a three-dimensional growth of the 3D GaN layer subsequent two-dimensional growth of the 2D GaN layer with a reduced defect density and / or a reduced dislocation density in the crystal structure of the 2D GaN layer compared to the layers of the first
  • the layer structure can then buffer the errors just listed in the crystal structure and / or material properties of the first layer sequence and / or of the carrier and consequently serve as a buffer layer.
  • Gallium nitride-containing layers after a mask layer As a result, a mask layer, for example, with
  • Silicon nitride is formed in the described here
  • the silicon contained in the mask layer can diffuse into adjacent gallium nitride-containing layers and / or it can during the
  • the layer structure in particular the first layer sequence, the 3D GaN layer and the 2D GaN layer, can therefore be free of, with the exception of the silicon surface of the carrier
  • the 3D-GaN-layer is used here in particular to pass on lattice defects, such as defects and
  • Step offset portion which are present in the material of the first layer sequence, to prevent the 2D-GaN layer.
  • the 2D GaN layer can thus be any one of the steps offset portion, which are present in the material of the first layer sequence, to prevent the 2D-GaN layer.
  • the 2D GaN layer can thus be any one of the steps offset portion, which are present in the material of the first layer sequence, to prevent the 2D-GaN layer.
  • Such a layer structure allows in particular the growth of functional layers of a
  • functioning layer structure - may have a high crystalline quality.
  • a layer structure can be provided, which in the cooled state has a low curvature and in particular a low or preferably no tensile
  • the layer structure has tension.
  • the layer structure has a convex curvature, no curvature or a very small concave curvature.
  • convex and concave are here and below in relation to the
  • Stacking direction has a positive curvature. In the case of a concave curvature, therefore, there is a negative curvature in the stacking direction. In the case of a concave curvature, the layer structure can be tensilely tensioned, in the case of the convex curvature, a compressive strain can be present.
  • a tensile strain is undesirable in a layer structure described here, since in such a Tensile tension of the layer stack can form cracks. These cracks can be the electrical and
  • the 3D GaN layer grown in step c) has a multiplicity of multilayer islands extending along the stacking direction. This can be a particular
  • the underlying layer that is, the layer which is upstream in the stacking direction of the incompletely covered layer, in places free of said
  • Sectional view have the shape of a stylized trapezoid.
  • monolayers of the multilayered islands closer to the top surface of the first layer sequence in the stacking direction may have a greater extent in lateral directions than more distant ones
  • an offset that extends along the stacking direction in the first layer sequence may be located within one of the islands of the 3D GaN layer change the direction of growth and then run transversely to the stacking direction.
  • step d) the plurality of multilayer islands coalesces by means of the 2D GaN layer. That is, in step d), the 2D GaN layer covers the plurality of multilayer islands and the top surface of the first layer sequence. In particular, the 2D GaN layer is adjacent to the side surfaces of the multilayer islands. Since the 2D GaN layer has a high lateral growth rate, it is possible for the 2D GaN layer to first grow faster within the interstices between the islands of the 3D GaN layer (so-called coalescing) and then layer by layer, for example Monolayer for monolayer, grows up.
  • Reduction of the dislocation density in the area of the 3D GaN layer can be measured with a tunneling electron microscope (TEM). Accordingly, the 3D GaN layer can also be detected on the finished article.
  • TEM tunneling electron microscope
  • the 2D GaN layer Layer in step d) at least one of three
  • the V / III ratio is given here by the ratio of the group V atoms, ie the nitrogen atoms, to the elements of the group II atoms, for example the aluminum and gallium atoms, in the reactor chamber.
  • the 3D GaN layer can be done for example by means of metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD).
  • MOCVD metal-organic chemical vapor deposition
  • the growth of the layers is then carried out in a reactor chamber at an adjustable reactor temperature with one or more precursors, which in conjunction with other gases an adjustable reactor pressure in the
  • ammonia for example, ammonia, triethylgallium, trimethylgallium and / or
  • Trimethylaluminum are used.
  • the reactor temperature is preferably set at least 30 ° C below the reactor temperature when growing the 2D-GaN layer.
  • Reactor temperature in the three-dimensional growth is lower than in the two-dimensional growth.
  • the Reactor temperature in the two-dimensional growth more than 1020 ° C, preferably more than 1040 ° C and particularly preferably more than 1060 ° C, amount.
  • the reactor pressure during the three-dimensional growth may be at least a factor of 2, preferably a factor of 4, above the reactor pressure during the two-dimensional growth.
  • the reactor pressure is at
  • Three-dimensional growth 600 mbar while the reactor pressure in two-dimensional growth in a range of 100 mbar to 200 mbar can be.
  • the reactor pressure in two-dimensional growth in a range of 100 mbar to 200 mbar can be.
  • the three-dimensional morphology of the 3D GaN layer can be formed.
  • the V / III ratio can be during the three-dimensional
  • growth may be at most 500. This
  • Nitrogen to Group III atoms (here: gallium) provided in the reactor chamber is at most 500.
  • the V / III ratio in the two-dimensional growth can be in the range of 1000 and more.
  • step c cause the 3D GaN layer is grown three-dimensionally in step c).
  • the 3D GaN layer may have a high roughness compared to the two-dimensionally grown 2D GaN layer in step d).
  • step c) can lead to an increased proportion of carbon foreign atoms in the 3D GaN Lead layer. This means that the selected growth conditions can be detectable on the finished article.
  • the selected growth conditions can be detectable on the finished article.
  • Layer structure accordingly have a higher carbon content than in the region of the 2D GaN layer.
  • Step b) the following steps:
  • the first layer sequence may accordingly comprise a buffer layer in addition to the seed layer.
  • a buffer layer in addition to the seed layer.
  • other layers including aluminum, oxygen, gallium
  • the buffer layer may in this case be formed from the same material as the Ankeim Mrs.
  • the side facing away from one of the silicon surfaces of FIG. 1 the side facing away from one of the silicon surfaces of FIG.
  • the gradient layer may also be part of the first layer sequence. This takes the
  • Gradient layer to vary along the stacking direction.
  • the proportion of aluminum atoms along the stacking direction can be reduced.
  • This procedure leads in particular to the fact that the natural lattice constant of the gradient layer along at least one spatial direction which extends parallel to the main extension plane increases with increasing distance to the silicon surface.
  • the idea is pursued to continuously change the natural lattice constant of the material of the gradient layer, so as to better match the natural lattice constants of the SD GaN layer and the 2D GaN layer in comparison to a first layer sequence that does not include a gradient layer to enable.
  • the number of defects in layers, in the stacking direction a greater distance from the carrier
  • the aluminum concentration x can be 95%.
  • the aluminum concentration can be 60%. However, it is also possible that the aluminum content is reduced to up to 0% based on the total concentration of aluminum and gallium in monolayers grown later in time.
  • the growth of the 2D-GaN layer in step d) is followed by a second layer sequence containing aluminum, gallium and nitrogen, grown on a side facing away from the silicon surface of the 2D GaN layer.
  • a second layer sequence containing aluminum, gallium and nitrogen grown on a side facing away from the silicon surface of the 2D GaN layer.
  • One of the silicon surface facing away from the top surface of the second layer sequence can serve as a growth surface for functional layers of a
  • the second layer sequence comprises a relaxed layer and a pseudomorphic one
  • a relaxed layer here and hereinafter means a layer which has regions whose
  • the relaxed layer may have a lattice constant that is between the natural lattice constant of the relaxed layer material and the natural lattice constant
  • Lattice constant of the material of the pseudomorphic layer is located. For attaining such a partially relaxed growth, the growth conditions during the
  • Growth of the relaxed layer for example, changed as follows. For example, during the growth of the relaxed layer, a low reactor temperature can be achieved
  • the relaxed layer is preferably grown in such a way that the thickness of the relaxed layer along the stacking direction exceeds a critical layer thickness. From this critical layer thickness, a layer can be relaxed.
  • the pseudomorphic layer may have an at least partially pseudomorphic crystal structure, that is, the pseudomorphic layer does not at least partially exhibit its natural lattice constant and / or crystal structure.
  • the pseudomorphic layer is compressively braced during growth.
  • the relaxed layer may have a higher aluminum content than the pseudomorphic layer
  • the relaxed layer is in
  • the not yet cooled layer structure has at the latest after the growth of the second
  • Growth conditions can, for example, by the
  • step d) of the process can be generated. Also, a high V / III ratio may be helpful for adjusting pseudomorphic growth conditions.
  • the multilayer islands of the 3D GaN layer and the 2D GaN layer are each compressive before the layer structure is cooled braced. This means that even after the growth of the GaN layer formed of the 3D GaN layer and the 2D GaN layer, compressive strain is present in the grown layers.
  • Bracing for example, can originate in the
  • Mask layer comprises.
  • the natural lattice constant of the GaN layer is hardly influenced by the first layer sequence.
  • the absence of a mask layer is a greater influence on the
  • the layer structure is cooled at the end of the method, wherein the curvature of the layer structure before cooling is convex.
  • the absolute amount of curvature can - at a height of
  • Carrier in the stacking direction for example, 1.2 mm and a height of the layer stack in the stacking direction of
  • the material of the carrier can in this case a lower thermal
  • the introduction of silicon into the layer structure with the exception of the silicon surface of the carrier is specifically avoided.
  • the layer structure can be free of a
  • Gallium nitride layers is incorporated. This makes it possible to avoid leakage currents through the layer structure, and thus an undesirable transverse conductivity of the layer structure.
  • a layer structure is specified as a buffer layer of a semiconductor component.
  • the layer structure can preferably be produced by means of one of the methods described here, that is to say all of them for the method
  • this includes the support with the silicon surface and a stack of layers, which in the stacking direction on the
  • Silicon surface of the carrier is arranged.
  • the Layer stack has the first layer sequence with the
  • the layer stack comprises a GaN layer formed with or consisting of gallium nitride.
  • Density of dislocations in the crystal structure in particular of step dislocations, screw dislocations and / or
  • Offsets involving a step offset fraction in the layer stack decrease along the stacking direction.
  • the density of crystal defects in the layer stack it is possible for the density of crystal defects in the layer stack to decrease along the stacking direction. In other words, the crystal quality of the layer stack increases along the stacking direction.
  • the layer stack is free of a mask layer which
  • Silicon includes.
  • the layer stack is free of a silicon dopant. This means that - with the exception of the carrier with the silicon surface - only unwanted silicon impurities by the
  • the GaN layer comprises a 3D GaN layer and a 2D GaN layer.
  • the decrease in the dislocation density occurs here in a transition region between the 3D GaN layer and the 2D GaN layer.
  • the reduction of the dislocation density occurs within a small area within the GaN layer along the stacking direction of the layer stack. This fast Reduction of the dislocation density results from the transition from the 3D GaN layer to the 2D GaN layer.
  • dislocation lines in the transition region between the 3D GaN layer and the 2D GaN layer extend in places transversely to the stacking direction.
  • dislocation lines extend in the region of the first layer sequence substantially along the stacking direction.
  • said dislocation lines buckle to the side.
  • the dislocations are increasingly oblique to the stacking direction. This allows the merging of the displacement lines and thus the annihilation of the displacement. This annihilation can be detected, for example, with a tunneling electron microscope.
  • dislocation lines run at least in places transversely to the stacking direction.
  • the dislocation density decreases within a range whose height is at most 1/5 of the common height of the first
  • the height of the 3D GaN layer is at least 200 nm and at most 300 nm.
  • the height of the first layer sequence is at least 200 nm and at most 300 nm.
  • the first layer sequence includes the gradient layer comprising Al x Ga v N, wherein the aluminum content x of the Gradient layer decreases along the stacking direction and wherein the gallium fraction y of the gradient layer increases along the stacking direction.
  • the layer stack comprises a second layer sequence which follows the GaN layer in the stacking direction.
  • the height of the second layer sequence is in the stacking direction
  • Layer stack at least 5 and not more than 6 ym, while the height of the second layer sequence is at least 4 and at most 5 ym.
  • the second layer sequence thus forms a large part of the layer structure.
  • the second layer sequence contains aluminum, gallium and nitrogen.
  • the second layer sequence may further contain indium. It is possible in particular that the second
  • Layer sequence has a relaxed layer and a pseudomorphic layer, wherein the relaxed layer contains more aluminum than the pseudomorphic layer.
  • the pseudomorphic layer can not have aluminum within the manufacturing tolerances.
  • the pseudomorphic layer can not have aluminum within the manufacturing tolerances.
  • relaxed layer is thus arranged downstream of the pseudomorphic layer in the stacking direction.
  • the relaxed layer preferably has cracks.
  • the relaxed layer includes sites where the relaxed layer is severed. At least one Cutting plane through the relaxed layer along the
  • the pseudomorphic layer can penetrate into the relaxed layer. It is also possible that the cracks of the relaxed layer are voids in the layered structure. The cavities may be filled, for example, with a gas such as air. The cracks are due in particular to the relaxed growth of the layer.
  • the GaN layer has a higher volume concentration of carbon impurities in the regions of the 3D GaN layer than in the regions of the 2D GaN layer. The higher one
  • the layer structure in the stacking direction is one
  • Cooling process convexly curved can be very small in particular.
  • FIGS. 1 and 2 show exemplary embodiments of a method described here and one here
  • FIG. 3 shows curvature measurements and half widths of
  • a carrier 1 with a silicon surface 1a is provided.
  • the carrier serves as a growth substrate for the subsequent layers.
  • the first layer sequence 2 may comprise aluminum, oxygen, nitrogen and gallium.
  • the aluminum content in the seed layer 21 may be higher than in the gradient layer 23.
  • the aluminum content in the areas of the first layer sequence 2, which are closer to the silicon surface la be higher than in the areas which lie in the stacking direction H further away from the silicon surface la. It is also possible that the
  • Buffer layer 22 is formed of the same material as the Ankeim Anlagen 21.
  • a 3D GaN layer 3 is now grown three-dimensionally.
  • FIG. 1B shows a further method step of a method for producing a layer structure 10.
  • a 2D GaN layer 4 is now formed
  • the 2D GaN layer 4 fills the regions between the islands 31.
  • the 3D GaN layer 3 is thus coalesced by means of the 2D GaN layer.
  • the 2D GaN layer 4 initially preferably grows in the regions between the islands 31 of the 3D GaN layer 3. As soon as the 2D GaN layer 4 projects beyond the height of the islands 31 of the 3D GaN layer 3, this increases 2D GaN layer 4 also two-dimensionally together. As a result, a coherent GaN layer 3, 4 is formed.
  • the second layer sequence 5 includes a relaxed layer 51 and a pseudomorphic layer 52.
  • the relaxed layer 51 may have a higher aluminum content than the pseudomorphic layer 52.
  • the layer stack 11 of the layer structure 10 is thus produced.
  • the layer stack 11 includes the first layer sequence 2, the 3D GaN layer 3, the 2D GaN layer 4 and the second
  • the 3D GaN layer 3 and the 2D GaN layer 4 may consist in particular of the same material. After growing, the 3D GaN layer 3 and the 2D GaN layer 4 thus together form the GaN layer 3, 4. In the region of the 3D GaN layer 3, the layer stack 11 can have a higher dislocation density and / or a higher Share in
  • FIGS. 2A and 2B each show an enlarged view of two islands 31 of the 3D GaN layer 3 of a layer structure 10.
  • FIGS. 2A and 2B each show an enlarged view of two islands 31 of the 3D GaN layer 3 of a layer structure 10.
  • the 2D GaN layer 4 ⁇ initially preferably covers the
  • top surface 2a of the first layer sequence 2 is not completely covered.
  • the top surfaces 31a of the multi-layered islands 31 may be as shown in FIG. 2A Process stage be at least partially covered by the 2D GaN layer 4 ⁇ .
  • Displacement 6 substantially along the stacking direction H in the direction of the top surface 2a of the first layer sequence 2. In the region of the islands of the 3D GaN layer 3, the growth of the offset occurs obliquely to the top surface 2a of the first
  • the oblique course of the dislocations 6 may originate, for example, in a change in the
  • FIG. 2C shows a layer structure 10 before the layer structure 10 cools down.
  • the layer structure 10 is convexly curved before cooling.
  • FIG. 2D shows a layer structure 10 after cooling.
  • the layer structure 10 is no longer convexly curved and extends substantially planar or has only a slightly convex or concave curvature. The decrease in the convex curvature due to the cooling of the layer structure 10 is due to the
  • FIG. 3A shows a first measurement curve K1, a second measurement curve K2 and a third measurement curve K3, which each show the curvature K of a layer structure as a function of the process duration t.
  • the process duration is given here in arbitrary units (a.u.).
  • the measured curves K1, K2, K3 are only plotted up to a process duration of 10000 s. At this time, the layered structure 10 is already completed. Subsequently, from a time> 10000 s, the layer structure 10 is cooled.
  • the first curve Kl shows the curvature of a
  • the second measurement curve K2 shows the curvature of a layer structure 10, which was likewise produced by a method described here, wherein the seed layer 21 is applied by means of MOCVD.
  • the third measurement curve K3 shows the curvature of an otherwise identical layer structure which comprises a silicon nitride Mask layer instead of a 3D GaN layer 3, wherein the Ankeimtik 21 of the layer structure with MOVPE
  • the measured curves K2 and K3 can be directly compared with each other.
  • the high peak of the third trace K3 at a time of about 2200 s is a measurement artifact.
  • the first, second and third starting point KU, K21, K31 each mark the
  • the first, second and third intermediate points K12, K22, K32 each mark the time at which the application of the pseudomorphic layer 52 is started.
  • the first and the second measurement curve Kl, K2 have a
  • the first and second measurement curve K1, K2 also have a higher slope than the third measurement curve K3.
  • Measurement curve K1, K2 increases faster than the curvature of the third measurement curve K3.
  • the slope of the curvature essentially corresponds to the strain of the layer structure 10. A positive slope is in this case with a change in the curvature in a convex curvature of compressive stress
  • each layer with correspondingly high slope layer also be higher.
  • the layer structures 10 which are produced by a method according to the invention described here thus have a higher compressive strain before cooling.
  • Ankerim harsh 21, which is applied with a PVD method comprises, in this case shows a high compressive
  • FIG. 3B shows a first half width K2A and a second half width
  • Half width K3A of the angular distributions measured by X-ray diffraction A higher crystal quality leads to a narrower angular distribution and thus to a lower half-width.
  • Crystal lattice of the layer structure would lead to a reduction of the scattering of X-radiation and thus to a
  • the half-widths K2A, K3A are respectively in
  • the first half-width K2A was compared with a layer structure 10, which by means of a method described here
  • the second half width K3A was measured with an otherwise identical layer structure comprising a mask layer with silicon nitride.
  • the first half width K2A is less than the second
  • Half width K3A A layer structure described here 10 accordingly has fewer defects than an otherwise identical layer structure having a mask layer
  • Silicon nitride includes, on. The method described here for producing a
  • Layer structure 10 or the layer structure 10 described here has several advantages.
  • the layer structure 10 is free of a mask layer with silicon.
  • a silicon layer in the layer stack 11, in particular in the GaN layer 3, 4 could lead to an undesired lateral conductivity on the n-side of the layer structure of the semiconductor component.
  • the compressive stress of the layers already takes place at a very early process step. This leads in particular to better stress values, whereby cracks in the layer structure that do not affect the electrical and optoelectric layers
  • the crystalline quality of the layer structure described here is at least as good as the
  • Layer structure comprising a mask layer with silicon.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these. Rather, the invention includes every new feature as well as any combination of Characteristics, which in particular includes any combination of features i the claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly in the

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur (10) als Pufferschicht eines Halbleiterbauelements angegeben, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Trägers (1), der eine Silizium-Oberfläche (1a) aufweist, b) Abscheiden einer ersten Schichtenfolge (2), die eine Ankeimschicht (21), die Aluminium und Stickstoff enthält, umfasst, auf der Silizium-Oberfläche (1a) des Trägers (1) entlang einer Stapelrichtung (H), die senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des Trägers (1) verläuft, c) dreidimensionales Wachstum einer 3D-GaN-Schicht (3), die mit Galliumnitrid gebildet ist, auf eine der Silizium-Oberfläche (la) abgewandte Deckfläche (2a) der ersten Schichtenfolge (2), d) zweidimensionales Wachstum einer 2D-GaN-Schicht (4), die mit Galliumnitrid gebildet ist, auf den der Silizium-Oberfläche (1a) abgewandten Außenflächen (3a) der 3D-GaN-Schicht (3).

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur als
Pufferschicht eines Halbleiterbauelements sowie
Schichtstruktur als Pufferschicht eines Halbleiterbauelements
Die Druckschriften DE 10 2006 008 929 AI, DE 10 2009 047 881 AI, DE 10 2010 035 489 AI und WO 2011/039181 AI beschreiben jeweils eine Schichtstruktur als Pufferschicht eines
Halbleiterbauelements und/oder ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schichtstruktur.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur als Pufferschicht eines Halbleiterbauelements anzugeben, die eine möglichst hohe kristalline Qualität aufweist. Eine weitere zu lösende
Aufgabe besteht darin, eine Schichtstruktur mit einer
möglichst hohen kristallinen Qualität für ein
Halbleiterbauelement anzugeben.
Hierbei und im Folgenden kann unter einer Schicht, wie beispielsweise die Pufferschicht, insbesondere ein
Schichtenstapel gemeint sein. Eine Schichtstruktur mit einer hohen kristallinen Qualität zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass wenig
Kristallfehler, wie beispielsweise Versetzungen, Fehlstellen und/oder Defekte, in dem Kristallgitter zumindest in
Bereichen der Schichtstruktur, zum Beispiel an einer an Luft und/oder weitere Schichten angrenzenden Aufwachsfläche der Schichtstruktur, vorzufinden sind. Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur als Pufferschicht eines Halbleiterbauelements angegeben. Bei dem Halbleiterbauelement, das auf die Schichtstruktur
aufgewachsen werden kann, kann es sich beispielsweise um ein optoelektronisches Halbleiterbauelement oder um ein
elektronisches Halbleiterbauelement handeln. Das
Halbleiterbauelement umfasst insbesondere Gallium und/oder Stickstoff. Beispielsweise handelt es sich bei dem
Halbleiterbauelement um eine Fotodiode, eine Leuchtdiode, eine Laserdiode, einen Transistor und/oder einen integrierten Schaltkreis. Allgemein kann es sich bei dem
Halbleiterbauelement um ein Bauelement handeln, welches beispielsweise Gallium und/oder Stickstoff umfasst. Bevorzugt wird das Halbleiterbauelement auf die Schichtstruktur
aufgewachsen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird zunächst ein Träger bereitgestellt. Bei dem Träger kann es sich beispielsweise um einen temporären Träger handeln, der in einem anschließenden Verfahrensschritt wieder entfernt wird, oder aber auch um einen Träger, der nach der
Herstellung an der Schichtstruktur verbleibt. Bei dem Träger kann es sich insbesondere um ein Substrat handeln. Der Träger weist eine Haupterstreckungsebene auf, in der er sich in lateralen Richtungen erstreckt. Senkrecht zur
Haupterstreckungsebene, in der vertikalen Richtung, weist der Träger eine Dicke auf. Die Dicke des Trägers ist klein gegen die maximale Erstreckung des Trägers in einer lateralen
Richtung. Eine Hauptebene des Trägers bildet eine Silizium- Oberfläche des Trägers. Senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft eine Stapelrichtung der Schichtenstruktur. Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist der Träger die Silizium-Oberfläche auf. Hierbei ist es möglich, dass der Träger nahezu vollständig aus Silizium gebildet ist. „Nahezu vollständig" kann hierbei und im
Folgenden bedeuten, dass wenigstens 90 %, bevorzugt
wenigstens 95 %, des Materials des Trägers Silizium ist. Der Träger kann dann insbesondere aus Silizium bestehen.
Alternativ ist es möglich, dass der Träger aus mehreren
Schichten aufgebaut ist, wobei eine der Schichten eine äußerste Schicht des Trägers bildet. Diese äußerste Schicht kann mit Silizium gebildet sein. Insbesondere kann diese äußerste Schicht nahezu vollständig aus Silizium gebildet sein oder aus Silizium bestehen. Die Außenfläche der
äußersten Schicht bildet dann die Silizium-Oberfläche des Trägers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird auf die Silizium-Oberfläche des Trägers eine erste Schichtenfolge abgeschieden. Die erste Schichtenfolge umfasst eine
Ankeimschicht , die Aluminium und Stickstoff enthält.
Insbesondere weist das Material der ersten Schichtenfolge eine natürliche Gitterkonstante auf, die sich von der
natürlichen Gitterkonstante des Materials der Silizium- Oberfläche unterscheidet. Insbesondere kann die natürliche Gitterkonstante des Materials der Silizium-Oberfläche größer als die natürliche Gitterkonstante des Materials der ersten Schichtenfolge sein. Die „natürliche Gitterkonstante" eines Materials kann hierbei die Gitterkonstante sein, die sich bei dem verwendeten Material bei einer Kristallisation unter idealen Bedingungen, beispielsweise unter Abwesenheit von Verspannungen, einstellt. Die Ankeimschicht kann ferner Gallium enthalten. Die
Ankeimschicht kann also mit AlnGamN gebildet sein, wobei bevorzugt 0,95 -S n < 1 und 0 -S m < 0,05. Mit anderen Worten, bezogen auf die Aluminium-Konzentration n ist die Gallium- Konzentration m niedrig gewählt. Beispielsweise können in der Ankeimschicht 5 % der Aluminium-Atome durch Gallium-Atome ersetzt sein. Ferner kann die Ankeimschicht Sauerstoff enthalten, wobei bevorzugt der Sauerstoffgehalt der
Ankeimschicht durch eine gezielte Zugabe von Sauerstoff gesteuert werden kann. Die Ankeimschicht dient insbesondere in einem Herstellungsverfahren als Schutzschicht, da ein sofortiges Aufwachsen von Schichten, die viel Gallium
enthalten, auf der Silizium-Oberfläche unter den in der
Reaktorkammer herrschenden Prozessbedingungen zu einer chemischen Reaktion auf der Silizium-Oberfläche und einer Zerstörung derselben führen könnte.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird eine 3D-GaN-Schicht auf eine der Silizium-Oberfläche
abgewandte Deckfläche der ersten Schichtenfolge aufgewachsen. Die 3D-GaN-Schicht kann mit Galliumnitrid gebildet sein oder aus Galliumnitrid bestehen. Das Wachstum der 3D-GaN-Schicht erfolgt insbesondere dreidimensional. Mit anderen Worten, die Wachstumsbedingungen sind so eingestellt, dass das Wachstum gemäß dem sogenannten Volmer-Weber-Wachstumsmodell oder dem Stranski-Krastanov-Wachstumsmodell beschrieben werden kann.
Die Wachstumsrate entlang der Stapelrichtung kann im
Vergleich zu der Wachstumsrate entlang der lateralen
Richtungen erhöht sein. Durch das dreidimensionale Wachstum ergibt sich eine unvollständige Bedeckung der Deckfläche der ersten Schichtenfolge. Mit anderen Worten, die Deckfläche kann zeitgleich stellenweise bedeckt und stellenweise frei zugänglich sein. Insbesondere weist die 3D-GaN-Schicht hierdurch eine Vielzahl mehrlagiger Inseln auf, die sich entlang einer Stapelrichtung erstrecken. Die mehrlagigen Inseln sind zumindest stellenweise lateral nicht miteinander verbunden. Mit anderen Worten, es ist möglich, dass zwischen zumindest zwei der Inseln Freiräume vorhanden sind. Ferner ist es möglich, dass zwischen einem Großteil der Inseln jeweils Freiräume vorhanden sind. „Mehrlagig" bedeutet hier und im Folgenden, dass die Inseln mehrere, übereinander gewachsene Monolagen enthalten. Unter einer Monolage ist hierbei und im Folgenden eine durchgängige Schicht von Atomen bzw. Molekülen zu verstehen, wobei die Schichthöhe nur ein Atom bzw. Molekül beträgt. Insbesondere liegen in einer
Monolage keine gleichen Atome bzw. Moleküle übereinander. Hierbei ist es möglich, dass jede Insel jeweils mehrere übereinander gewachsene Monolagen aufweist, wobei die
Monolagen der jeweiligen Inseln zumindest zeitweise nicht mit Monolagen benachbarter Inseln verbunden sein können. Bei einem dreidimensionalen Wachstum werden somit nicht geschlossene zweidimensionale Monolagen für Monolagen
gewachsen. Vielmehr bilden sich zunächst einzelne Inseln. Diese könnten im Fall eines zeitlich länger andauernden dreidimensionalen Wachstums an ihren zeitlich früher
aufgewachsenen Monolagen, also den Monolagen, die einen geringeren Abstand zum Träger aufweisen, lateral
zusammenwachsen. Im hier beschriebenen Fall eines zeitlich kürzer andauernden dreidimensionalen Wachstums sind die
Inseln der 3D-GaN-Schicht lateral nicht miteinander
verbunden. Das heißt, das dreidimensionale Wachstum wird beendet, bevor die Inseln zumindest stellenweise lateral zusammenwachsen könnten. Ein Beenden des dreidimensionalen Wachstums kann beispielsweise durch die Änderung der Wachstumsbedingungen zu den Wachstumsbedingungen der nach der 3D-GaN-Schicht aufgewachsenen Schicht erfolgen.
Insbesondere ist es bei dem dreidimensionalen Wachstum möglich, dass die Kristallstruktur der 3D-GaN-Schicht nicht ihre natürliche Gitterkonstante aufweist, sondern die
natürliche Gitterkonstante des Materials der Deckfläche der ersten Schichtenfolge annimmt. „Die natürliche
Gitterkonstante eines Materials annehmen" kann hierbei und im Folgenden bedeuten, dass zeitlich früher aufgewachsene
Monolagen der 3D-GaN-Schicht , das heißt, die Monolagen, die sich in Stapelrichtung näher an der Deckfläche der ersten Schichtenfolge befinden, entlang zumindest einer Raumrichtung eine Gitterkonstante aufweisen, deren Wert zwischen der natürlichen Gitterkonstante des Materials der 3D-GaN-Schicht entlang besagter Raumrichtung und der natürlichen
Gitterkonstante des Materials der Deckfläche der ersten
Schichtenfolge entlang besagter Raumrichtung liegt. Bei „besagter Raumrichtung" handelt es sich bevorzugt um eine Raumrichtung, die im Rahmen der Herstellungstoleranzen parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft. Die Abweichung von der eigenen natürlichen Gitterkonstante kann hierbei durch die Wachstumsbedingungen eingestellt werden. Zeitlich später aufgewachsene Monolagen der 3D-GaN-Schicht können dann zumindest eine Gitterkonstante aufweisen, die im Rahmen der Herstellungstoleranzen der natürlichen Gitterkonstante des Materials der 3D-GaN-Schicht entspricht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird auf den der Silizium-Oberfläche abgewandten Außenflächen der 3D- GaN-Schicht eine 2D-GaN-Schicht zweidimensional aufgewachsen. Mit andern Worten, die 3D-GaN-Schicht wird mittels des
Aufwachsens 2D-GaN-Schicht zu einer ganzflächig ausgebildeten GaN-Schicht, die mit der 3D-GaN-Schicht und der 2D-GaN- Schicht gebildet ist, koalesziert. Durch die Änderung der Wachstumsbedingungen zum zweidimensionalen Wachstum wird somit durch Koaleszieren der 3D-GaN-Schicht eine glatte 2D- GaN-Schicht erzeugt. Die 2D-GaN-Schicht ist beispielsweise mit Galliumnitrid gebildet. Unter zweidimensionalem Wachstum ist hierbei und im Folgenden zu verstehen, dass die
Wachstumsrate entlang der lateralen Richtungen höher oder genauso hoch wie die Wachstumsrate entlang der Stapelrichtung sein kann. Mit anderen Worten, die Wachstumsbedingungen sind so eingestellt, dass das Wachstum gemäß dem sogenannten
Frank-van-der-Merwe-Wachstumsmodell beschrieben werden kann.
Bei dem zweidimensionalen Wachstum werden bevorzugt zunächst die Freiräume zwischen den mehrlagigen Inseln der 3D-GaN-
Schicht aufgefüllt, während die Bedeckung der Inseln anfangs nur sehr schwach, also mit einer geringen Wachstumsrate, erfolgt. Nach dem Auffüllen der Freiräume zwischen den mehrlagigen Inseln erfolgt eine gleichmäßige Bedeckung der Oberfläche der 3D-GaN-Schicht und der bereit aufgewachsenen Monolagen der 2D-GaN-Schicht , so dass die mehrlagigen Inseln der 3D-GaN-Schicht nach dem zweidimensionalen Aufwachsen der 2D-GaN-Schicht von außen nicht mehr frei zugänglich sind und an allen Außenflächen von der 2D-GaN-Schicht bedeckt sind und mit dieser in direktem Kontakt stehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Schichtstruktur als Pufferschicht eines Halbleiterbauelements umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
a) Bereitstellen eines Trägers, der eine Silizium-Oberfläche aufweist, b) Abscheiden einer ersten Schichtenfolge, die eine
Ankeimschicht , die Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff enthält, umfasst, auf der Silizium-Oberfläche des Trägers, entlang einer Stapelrichtung, die senkrecht zu einer
Haupterstreckungsebene des Trägers verläuft,
c) dreidimensionales Wachstum einer 3D-GaN-Schicht , die mit Galliumnitrid gebildet ist, auf eine der Silizium-Oberfläche abgewandte Deckfläche der ersten Schichtenfolge,
d) zweidimensionales Wachstum einer 2D-GaN-Schicht , die mit Galliumnitrid gebildet ist, auf der Silizium-Oberfläche abgewandten Außenflächen der 3D-GaN-Schicht .
Die Verfahrensschritte werden bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt.
Bei dem hier beschriebenen Verfahren wird mitunter die Idee verfolgt, durch ein dreidimensionales Wachstum der 3D-GaN- Schicht ein anschließendes zweidimensionales Wachstum der 2D- GaN-Schicht mit einer reduzierten Defektdichte und/oder einer reduzierten Versetzungsdichte in der Kristallstruktur der 2D- GaN-Schicht im Vergleich zu den Schichten der ersten
Schichtenfolge zu ermöglichen. Die Schichtstruktur kann dann die eben aufgeführten Fehler in der Kristallstruktur und/oder Materialeigenschaften der ersten Schichtenfolge und/oder des Trägers puffern und folglich als Pufferschicht dienen. Die Wahl der dreidimensionalen Wachstumsbedingungen für das
Erzeugen der Inseln ersetzt hierbei ein Wachstum von
Galliumnitrid-haltigen Schichten nach einer Maskenschicht. Hierdurch wird eine Maskenschicht, die zum Beispiel mit
Siliziumnitrid gebildet ist, in dem hier beschriebenen
Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur nicht
benötigt. Es wurde vorliegend festgestellt, dass eine solche Maskenschicht mit Silizium und/oder Siliziumnitrid schwer kontrollierbare Störungen bei einer durch eine Maskenschicht hindurch erzeugten n-seitigen Aufrauhung eines auf die
Schichtstruktur aufgewachsenen Halbleiterbauelements
verursacht. Zudem kann das in der Maskenschicht enthaltene Silizium in benachbarte Galliumnitrid-haltige Schichten diffundieren und/oder es kann während des
Herstellungsprozesses zu einer Verschleppung des im Reaktor noch vorhandenen Silizium-Materials kommen. Dies würde zu einer ungewollten Dotierung besagter Galliumnitrid-haltiger Schichten führen. Die Galliumnitrid-haltigen Schichten könnten in diesem Fall elektrisch leitfähig werden. Eine solche Dotierung der Schichtstruktur, insbesondere der ersten Schichtenfolge, mit Silizium, also eine Dotierung der
Pufferschicht für nachfolgende aktive oder funktionelle
Bereiche eines Halbleiterbauelements, kann insbesondere bei elektronischen Bauelementen, wie Transistoren, zu
Fehlfunktionen führen. Die Schichtstruktur, insbesondere die erste Schichtenfolge, die 3D-GaN-Schicht und die 2D-GaN-Schicht , kann also - mit Ausnahme der Silizium-Oberfläche des Trägers - frei von
Silizium sein. „Frei von Silizium" kann hierbei und im
Folgenden bedeuten, dass Silizium-Atome nicht absichtlich in die Schichtstruktur eingebracht werden, sondern lediglich als Verunreinigung im Rahmen der Herstellungstoleranzen in der Schichtstruktur vorhanden sind.
Ferner ist es durch das hier beschriebene Verfahren möglich, Gitterfehler in der Kristallstruktur einer für das Aufwachsen eines Halbleiterbauelements bereitgestellten Aufwachsfläche der Schichtstruktur im Vergleich zu einer Aufwachsfläche einer ansonsten baugleichen Schichtstruktur, die Siliziumnitrid als Maskenschicht aufweist, zu reduzieren. Die 3D-GaN-Schicht dient hier insbesondere dazu, ein Weitergeben von Gitterfehler, wie beispielsweise Defekte und
Versetzungen, insbesondere Versetzungen, die einen
Stufenversetzungs-Anteil enthalten, welche in dem Material der ersten Schichtenfolge vorhanden sind, an die 2D-GaN- Schicht zu verhindern. Die 2D-GaN-Schicht kann somit
insbesondere versetzungsärmer als die 3D-GaN-Schicht sein. Eine solche Schichtstruktur ermöglicht insbesondere das Aufwachsen von funktionellen Schichten eines
Halbleiterbauelements, wobei das Material der funktionellen Schichten des Halbleiterbauelements - aufgrund der
reduzierten Gitterfehler in der als Pufferschicht
fungierenden Schichtstruktur - eine hohe kristalline Qualität aufweisen kann.
Zudem kann eine Schichtstruktur bereitgestellt werden, die im abgekühlten Zustand eine geringe Krümmung und insbesondere eine niedrige beziehungsweise bevorzugt keine tensile
Verspannung aufweist. Bevorzugt weist die Schichtstruktur eine konvexe Krümmung, keine Krümmung oder eine sehr geringe konkave Krümmung auf. Die Angaben „konvex" und „konkav" sind hierbei und im Folgenden in Bezug auf die
Haupterstreckungsebene des Trägers zu sehen. Eine konvexe Krümmung liegt vor, wenn die Schichtstruktur in der
Stapelrichtung eine positive Krümmung aufweist. Bei einer konkaven Krümmung liegt demnach eine negative Krümmung in Stapelrichtung vor. Im Falle einer konkaven Krümmung kann die Schichtstruktur tensil verspannt sein, im Falle der konvexen Krümmung kann eine kompressive Verspannung vorliegen.
Eine tensile Verspannung ist bei einer hier beschriebenen Schichtstruktur unerwünscht, da sich bei einer solchen tensilen Verspannung des Schichtenstapels Risse bilden können. Diese Risse können die elektrischen und
optoelektrischen Schichten eines aufgewachsenen
Halbleiterbauelements zerstören. Dies hätte ein erhöhtes Ausfallrisiko eines Halbleiterbauelements zur Folge.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens weist die in Schritt c) aufgewachsene 3D-GaN-Schicht eine Vielzahl mehrlagiger Inseln auf, die sich entlang der Stapelrichtung erstrecken. Hierbei kann sich insbesondere eine
unvollständige Bedeckung der Deckfläche der ersten
Schichtenfolge mit der Vielzahl mehrlagiger Inseln ergeben. Eine unvollständige Bedeckung bedeutet hierbei und im
Folgenden, dass die darunterliegende Schicht, das heißt die Schicht, die in Stapelrichtung der unvollständig bedeckten Schicht vorgeordnet ist, stellenweise frei von besagter
Schicht ist. Die mehrlagigen Inseln können hierbei
unterschiedliche Größen aufweisen. Seitenflächen der mehrlagigen Inseln können mitunter schräg zur Deckfläche der ersten Schichtenfolge verlaufen.
Beispielsweise können die mehrlagigen Inseln in einer
Schnittdarstellung die Form eines stilisierten Trapezes aufweisen. Mit anderen Worten, nach der Beendigung des
Aufwachsens der 3D-GaN-Schicht können sich in Stapelrichtung näher an der Deckfläche der ersten Schichtenfolge befindende Monolagen der mehrlagigen Inseln eine größere Ausdehnung in lateralen Richtungen aufweisen als weiter entfernte
Monolagen. Durch die stilisierte Trapezform ist es
insbesondere möglich, die Wachstumsrichtung von Versetzungen in dem Kristallgitter zu verändern. Beispielsweise kann eine Versetzung, die sich in der ersten Schichtenfolge entlang der Stapelrichtung erstreckt, innerhalb einer der Inseln der 3D- GaN-Schicht die Wachstumsrichtung ändern und anschließend quer zur Stapelrichtung verlaufen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens
koalesziert in Schritt d) die Vielzahl mehrlagiger Inseln mittels der 2D-GaN-Schicht . Das heißt, die 2D-GaN-Schicht bedeckt in Schritt d) die Vielzahl mehrlagiger Inseln und die Deckfläche der ersten Schichtenfolge. Insbesondere grenzt die 2D-GaN-Schicht an die Seitenflächen der mehrlagigen Inseln. Da die 2D-GaN-Schicht eine hohe laterale Wachstumsrate aufweist, ist es möglich, dass die 2D-GaN-Schicht zunächst schneller innerhalb der Zwischenräume zwischen den Inseln der 3D-GaN-Schicht (sogenanntes Koaleszieren) und anschließend Lage für Lage, zum Beispiel Monolage für Monolage, aufwächst.
Durch eine Filterwirkung der 3D-GaN-Schicht und das laterale, d.h. zweidimensionale, Wachstum der 2D-GaN-Schicht kommt es zu einer deutlichen Reduktion der Defekt- beziehungsweise Versetzungsdichte. Da die Versetzungen im Bereich der Inseln stellenweise quer zur Stapelrichtung, also entlang einer der Haupterstreckungsrichtungen des Trägers, verlaufen, ist es möglich, dass Versetzungen im Übergangsbereich zwischen der 3D-GaN-Schicht und der 2D-GaN-Schicht zusammenwachsen. Dies führt zu einer Annihilation der Versetzungen. Insbesondere die Versetzungs-Annihilation und die damit verbundene
Reduktion der Versetzungsdichte im Bereich der 3D-GaN- Schicht kann mit einem Tunnelelektronenmikroskop (TEM) gemessen werden. Die 3D-GaN-Schicht kann dementsprechend auch am fertigen Gegenstand nachgewiesen werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird bei dem dreidimensionalen Wachstum der 3D-GaN-Schicht in Schritt c) im Vergleich zu dem zweidimensionalen Wachstum der 2D-GaN- Schicht in Schritt d) mindestens eine von drei
Wachstumsbedingungen wie folgt geändert:
- Reduktion der Reaktortemperatur,
- Erhöhung des Reaktordrucks und/oder
- Reduktion des V/III-Verhältnisses .
Das V/III-Verhältnis ist hierbei durch das Verhältnis der Gruppe-V-Atome, also der Stickstoffatome, zu den Elementen der Gruppe-I II-Atome, also beispielsweise der Aluminium- und Gallium-Atome, in der Reaktorkammer gegeben.
Das Aufwachsen der Schichten der Schichtstruktur und
insbesondere der 3D-GaN-Schicht kann beispielsweise mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) erfolgen. Das Aufwachsen der Schichten erfolgt dann in einer Reaktorkammer bei einer einstellbaren Reaktortemperatur mit einem oder mehreren Präkursoren, welche in Verbindung mit weiteren Gasen einen einstellbaren Reaktordruck in der
Reaktorkammer erzeugen. Als Präkursoren können beispielsweise Ammoniak, Triethylgallium, Trimethylgallium und/oder
Trimethylaluminium zum Einsatz kommen.
Beim Aufwachsen der 3D-GaN-Schicht wird die Reaktortemperatur bevorzugt wenigstens 30 °C unterhalb der Reaktortemperatur beim Aufwachsen der 2D-GaN-Schicht gesetzt. Beispielsweise beträgt die Reaktortemperatur bei dem dreidimensionalen
Wachstum 1020 °C und bei dem zweidimensionalen Wachstum
1060 °C. Insbesondere ist es möglich, dass die
Reaktortemperatur bei dem dreidimensionalen Wachstum geringer ist als bei dem zweidimensionalen Wachstum. Beispielsweise beträgt die Reaktortemperatur bei dem dreidimensionalen
Wachstum mehr als 980°C, bevorzugt mehr als 1000°C und besonders bevorzugt mehr als 1020°C. Ferner kann die Reaktortemperatur bei dem zweidimensionalen Wachstum mehr als 1020°C, bevorzugt mehr als 1040°C und besonders bevorzugt mehr als 1060°C, betragen. Der Reaktordruck kann während des dreidimensionalen Wachstums wenigstens einen Faktor 2, bevorzugt einen Faktor 4, über dem Reaktordruck während des zweidimensionalen Wachstums liegen. Beispielsweise beträgt der Reaktordruck bei dem
dreidimensionalen Wachstum 600 mbar, während der Reaktordruck beim zweidimensionalen Wachstum in einem Bereich von 100 mbar bis 200 mbar liegen kann. Insbesondere durch das Abscheiden unter hohem Druck kann sich die dreidimensionale Morphologie der 3D-GaN-Schicht bilden. Das V/III-Verhältnis kann während des dreidimensionalen
Wachstums beispielsweise höchstens 500 betragen. Dies
bedeutet, dass das Verhältnis der Gruppe-V-Atome (hier:
Stickstoff) zu Gruppe-III-Atomen (hier: Gallium), das in der Reaktorkammer zur Verfügung gestellt wird, höchstens 500 beträgt. Im Vergleich dazu kann das V/III-Verhältnis bei dem zweidimensionalen Wachstum im Bereich von 1000 und mehr liegen .
Die Veränderung der Wachstumsbedingungen, wie zuvor
ausgeführt, führen beispielsweise dazu, dass die 3D-GaN- Schicht in Schritt c) dreidimensional gewachsen wird.
Insbesondere kann die 3D-GaN-Schicht durch die veränderten Wachstumsbedingungen und/oder durch das dreidimensionale Wachstum eine hohe Rauigkeit im Vergleich zur zweidimensional gewachsenen 2D-GaN-Schicht in Schritt d) aufweist. Die
Reduktion des V/III-Verhältnisses während des
dreidimensionalen Wachstums in Schritt c) kann zu einem erhöhten Anteil von Kohlenstoff-Fremdatomen in der 3D-GaN- Schicht führen. Dies bedeutet, dass die gewählten Wachstumsbedingungen an dem fertigen Gegenstand nachweisbar sein können. Im Bereich der 3D-GaN-Schicht kann die
Schichtstruktur dementsprechend einen höheren Kohlenstoff- Anteil aufweisen als im Bereich der 2D-GaN-Schicht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens
beinhaltet das Abscheiden der ersten Schichtenfolge in
Schritt b) die folgenden Schritte:
- Aufwachsen der Ankeimschicht auf die Silizium-Oberfläche des Trägers,
- Aufwachsen einer Pufferschicht, die Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff umfasst, an einer der Silizium-Oberfläche abgewandten Seite der Ankeimschicht.
Die angegebenen Schritte werden bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt.
Die erste Schichtenfolge kann demnach neben der Ankeimschicht eine Pufferschicht umfassen. Es sind jedoch auch weitere Schichten möglich, die Aluminium, Sauerstoff, Gallium
und/oder Stickstoffbeinhalten können. Die Pufferschicht kann hierbei aus demselben Material wie die Ankeimschicht gebildet sein .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird auf an einer der Silizium-Oberfläche abgewandten Seite der
Pufferschicht eine Gradientenschicht aufgewachsen, die mit AlxGayN gebildet ist. Die Gradientenschicht kann ebenfalls Teil der ersten Schichtenfolge sein. Hierbei nimmt der
Konzentrations-Anteil der Aluminium-Atome x entlang der
Stapelrichtung ab und der Konzentrations-Anteil der Gallium- Atome y nimmt entlang der Stapelrichtung zu. Der „Konzentrations-Anteil" bzw. „Anteil" kann hierbei und im Folgenden der molare Anteil bzw. der Stoffmengenanteil sein.
Es ist insbesondere möglich, den Aluminium-Anteil der
Gradientenschicht entlang der Stapelrichtung zu variieren. Insbesondere kann der Anteil der Aluminium-Atome entlang der Stapelrichtung reduziert werden. Dieses Vorgehen führt insbesondere dazu, dass die natürliche Gitterkonstante der Gradientenschicht entlang zumindest einer Raumrichtung die parallel zur Haupterstreckungsebene verläuft mit zunehmendem Abstand zur Silizium-Oberfläche zunimmt. Hierbei wird die Idee verfolgt, die natürliche Gitterkonstante des Materials der Gradientenschicht kontinuierlich zu verändern, um so eine bessere Anpassung an die natürlichen Gitterkonstanten der SD- GaN-Schicht und der 2D-GaN-Schicht im Vergleich zu einer ersten Schichtenfolge, die keine Gradientenschicht umfasst, zu ermöglichen. Zudem kann die Defektanzahl in Schichten, die in Stapelrichtung einen größeren Abstand zum Träger
aufweisen, durch die erste Schichtenfolge reduziert werden.
Beispielsweise kann die Aluminium-Konzentration x bezogen auf die Gesamtkonzentration von Aluminium und Gallium in den Monolagen, die zeitlich früher aufgewachsen werden, und sich somit näher an der Silizium-Oberfläche befinden, 95 %
betragen. In den Monolagen, die zeitlich später aufgewachsen werden, kann die Aluminium-Konzentration 60 % betragen. Es ist jedoch auch möglich, dass der Aluminium-Anteil bezogen auf die Gesamtkonzentration von Aluminium und Gallium in zeitlich später aufgewachsenen Monolagen auf bis zu 0 % reduziert wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird dem Aufwachsen der 2D-GaN-Schicht in Schritt d) nachfolgend eine zweite Schichtenfolge, die Aluminium, Gallium und Stickstoff enthält, an einer der Silizium-Oberfläche abgewandten Seite der 2D-GaN-Schicht aufgewachsen. Eine der Silizium-Oberfläche abgewandte Deckfläche der zweiten Schichtenfolge kann als Aufwachsfläche für funktionelle Schichten eines
Halbleiterbauelements dienen. Die zweite Schichtenfolge umfasst eine relaxierte Schicht und eine pseudomorphe
Schicht, wobei das Aufwachsen der relaxierten Schicht vor dem Aufwachsen der pseudomorphen Schicht erfolgt.
Unter einer relaxierten Schicht ist hierbei und im Folgenden eine Schicht gemeint sein, die Bereiche aufweist, deren
Gitterkonstante im Rahmen der Herstellungstoleranzen der natürlichen Gitterkonstante des Materials, aus dem die relaxierte Schicht besteht, entspricht. In den übrigen
Bereichen kann die relaxierte Schicht eine Gitterkonstante aufweisen, die zwischen der natürlichen Gitterkonstante des Materials der relaxierten Schicht und der natürlichen
Gitterkonstante des Materials der pseudomorphen Schicht liegt. Für das Erreichen eines solchen teilweise relaxierten Wachstums werden die Wachstumsbedingungen während des
Aufwachsens der relaxierten Schicht beispielsweise wie folgt verändert. Beispielsweise kann während des Wachstums der relaxierten Schicht eine geringe Reaktortemperatur
(sogenanntes kaltes Wachstum) und/oder ein hoher Aluminium- Anteil in der Reaktorkammer eingestellt werden. Zudem wird die relaxierte Schicht bevorzugt derart aufgewachsen, dass die Dicke der relaxierten Schicht entlang der Stapelrichtung eine kritische Schichtdicke übersteigt. Ab dieser kritischen Schichtdicke kann eine Schicht relaxiert sein.
Die pseudomorphe Schicht kann eine zumindest teilweise pseudomorphe Kristallstruktur aufweisen, das heißt, die pseudomorphe Schicht weist zumindest teilweise nicht ihre natürliche Gitterkonstante und/oder Kristallstruktur auf. Bevorzugt ist die pseudomorphe Schicht beim Aufwachsen kompressiv verspannt. Die relaxierte Schicht kann einen höheren Aluminium-Anteil als die pseudomorphe Schicht
aufweisen. Bevorzugt ist die relaxierte Schicht in
Stapelrichtung vor der pseudomorphen Schicht aufgewachsen und die Schichten grenzen direkt aneinander. Bei dem pseudomorphen Wachstum werden die
Wachstumsbedingungen derart eingestellt, dass die
pseudomorphe Schicht die natürliche Gitterkonstante des
Materials der zuvor aufgewachsenen relaxierten Schicht annimmt. Da die natürliche Gitterkonstante einer Schicht mit AlxGayN mit sinkendem Aluminium-Anteil x wächst, ist die natürliche Gitterkonstante der relaxierten Schicht geringer als die natürliche Gitterkonstante der pseudomorphen Schicht. Da die pseudomorphe Schicht die natürliche Gitterkonstante der relaxierten Schicht annimmt, kann es bevorzugt zu einer kompressiven Verspannung der pseudomorphen Schicht kommen.
Mit anderen Worten, die noch nicht abgekühlte Schichtstruktur weist spätestens nach dem Aufwachsen der zweiten
Schichtenfolge eine konvexe Krümmung auf. Pseudomorphe
Wachstumsbedingungen können beispielsweise durch die
Verwendung von wenig Dotierstoff, wie Silizium, oder generell bei Wachstumsbedingungen wie die des zweidimensionalen
Wachstums in Schritt d) des Verfahrens, erzeugt werden. Auch ein hohes V/III-Verhältnis kann hilfreich für das Einstellen pseudomorpher Wachstumsbedingungen sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens sind die mehrlagigen Inseln der 3D-GaN-Schicht und die 2D-GaN-Schicht vor der Abkühlung der Schichtstruktur jeweils kompressiv verspannt. Dies bedeutet, dass bereits nach dem Aufwachsen der GaN-Schicht, die aus der 3D-GaN-Schicht und der 2D-GaN- Schicht gebildet ist, eine kompressive Verspannung in den aufgewachsenen Schichten vorhanden ist. Die kompressive
Verspannung kann beispielsweise ihren Ursprung in dem
Aufwachsen der GaN-Schicht auf der Aluminiumnitrid-haltigen ersten Schichtenfolge haben. Aufgrund der unterschiedlichen natürlichen Gitterkonstanten der GaN-Schicht und der ersten Schichtenfolge kommt es zu einer kompressiven Verspannung der GaN-Schicht. Hierbei ergibt sich ein wesentlicher Unterschied zu einer vergleichbaren Schichtstruktur, die eine
Maskenschicht umfasst. Im Fall einer Maskenschicht wird die natürliche Gitterkonstante der GaN-Schicht durch die erste Schichtenfolge kaum beeinflusst. Bei der Abwesenheit einer Maskenschicht erfolgt eine stärkere Beeinflussung der
natürlichen Gitterkonstante, woraus eine zusätzliche
kompressive Verspannung vor der Abkühlung resultiert.
Hierdurch kann eine tensile Verspannung beim Abkühlen
vermieden werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Schichtstruktur am Ende des Verfahrens abgekühlt, wobei die Krümmung der Schichtstruktur vor dem Abkühlen konvex ist. Der absolute Betrag der Krümmung kann - bei einer Höhe des
Trägers in Stapelrichtung von beispielsweise 1,2 mm und einer Höhe des Schichtenstapels in Stapelrichtung von
beispielsweise 5 ym - beispielsweise wenigstens 75 km~l betragen. Bei der Schichtstruktur bildet sich also aufgrund der kompressiven Verspannung der vorherigen Schichten eine konvexe Krümmung aus, die wenigstens 75 km~l beträgt. Bei der Abkühlung wird diese konvexe Krümmung in eine konkave
Krümmung und/oder in eine weniger konvexe Krümmung geändert. Dadurch wird die kompressive Verspannung der Schichtstruktur abgebaut. Insbesondere die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers und der
unterschiedlichen Galliumnitrid-haltigen Schichten führt hierbei zu einem Abbau der Krümmung, das heißt der
kompressiven Verspannung, der Schichtstruktur. Das Material des Trägers kann hierbei einen geringeren thermischen
Ausdehnungskoeffizienten als das Material der auf den Träger aufgewachsenen Schichten aufweisen, wodurch es zu der
unerwünschten tensilen Verspannung bei der Abkühlung kommen kann .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Einbringen von Silizium in die Schichtstruktur mit Ausnahme der Silizium-Oberfläche des Trägers gezielt vermieden.
Insbesondere kann die Schichtstruktur frei von einer
Silizium-haltigen Maskenschicht sein. Es soll mitunter vermieden werden, dass Silizium als Dotierstoff in die
Galliumnitrid-Schichten eingebaut wird. Hierdurch ist es möglich, Leckströme durch die Schichtstruktur, und somit eine unerwünschte Querleitfähigkeit der Schichtstruktur, zu vermeiden .
Es wird ferner eine Schichtstruktur als Pufferschicht eines Halbleiterbauelements angegeben. Die Schichtstruktur ist vorzugsweise mittels eines der hier beschriebenen Verfahren herstellbar, das heißt sämtliche für das Verfahren
offenbarten Merkmale sind auch für die Schichtstruktur offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schichtstruktur beinhaltet diese den Träger mit der Silizium-Oberfläche und einen Schichtenstapel, der in Stapelrichtung auf der
Silizium-Oberfläche des Trägers angeordnet ist. Der Schichtenstapel weist die erste Schichtenfolge mit der
Ankeimschicht , die Aluminium und Stickstoff enthält, auf. Zudem umfasst der Schichtenstapel eine GaN-Schicht, die mit Galliumnitrid gebildet ist oder aus diesem besteht. Die
Dichte von Versetzungen in der Kristallstruktur, insbesondere von Stufenversetzungen, Schraubenversetzungen und/oder
Versetzungen, die einen Stufenversetzungs-Anteil beinhalten, in dem Schichtenstapel nimmt entlang der Stapelrichtung ab. Zudem ist es möglich, dass die Dichte von Kristalldefekten in dem Schichtenstapel entlang der Stapelrichtung abnimmt. Mit andere Worten, die Kristallqualität des Schichtenstapels nimmt entlang der Stapelrichtung zu.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schichtstruktur ist der Schichtenstapel frei von einer Maskenschicht, die
Silizium umfasst. Insbesondere ist der Schichtenstapel frei von einem Silizium-Dotierstoff. Dies bedeutet, dass - mit Ausnahme des Trägers mit der Silizium-Oberfläche - lediglich ungewollte Silizium-Verunreinigungen, die durch die
Herstellungstoleranzen bedingt sind, in der Schichtstruktur vorhanden sind. Dementsprechend ist der Begriff „frei von Silizium" im Rahmen der Herstellungs-Verunreinigungen, die beim Aufwachsen von Halbleiterschichten in die
Halbleiterschicht eingebracht werden können, zu verstehen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schichtstruktur umfasst die GaN-Schicht eine 3D-GaN-Schicht und eine 2D-GaN- Schicht. Die Abnahme der Versetzungsdichte erfolgt hierbei in einem Übergangsbereich zwischen der 3D-GaN-Schicht und der 2D-GaN-Schicht . Die Reduktion der Versetzungsdichte erfolgt innerhalb eines kleinen Bereiches innerhalb der GaN-Schicht entlang der Stapelrichtung des Schichtenstapels. Diese rapide Reduktion der Versetzungsdichte resultiert aus dem Übergang von der 3D-GaN-Schicht zur 2D-GaN-Schicht .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schichtstruktur verlaufen Versetzungslinien im Übergangsbereich zwischen der 3D-GaN-Schicht und der 2D-GaN-Schicht stellenweise quer zur Stapelrichtung. Beispielsweise verlaufen Versetzungslinien im Bereich der ersten Schichtenfolge im Wesentlichen entlang der Stapelrichtung. Im Bereich der 3D-GaN-Schicht knicken besagte Versetzungslinien zur Seite hin ab. Mit anderen Worten, die Versetzungen verlaufen zunehmend schräg zur Stapelrichtung. Dies ermöglicht das Zusammenwachsen der Versetzungslinien und damit die Annihilation der Versetzung. Diese Annihilation kann beispielsweise mit einem Tunnelelektronenmikroskop nachgewiesen werden. In dem Bereich der 3D-GaN-Schicht verlaufen also Versetzungslinien zumindest stellenweise quer zur Stapelrichtung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schichtstruktur nimmt die Versetzungsdichte innerhalb eines Bereiches, dessen Höhe maximal 1/5 der gemeinsamen Höhe der ersten
Schichtenfolge, der 3D-GaN-Schicht und der 2D-GaN-Schicht in Stapelrichtung entspricht, auf einen Wert von höchstens 2 x 109 cm-3 ab. Die Versetzungsdichte nimmt also insbesondere in einem kleinen Bereich des Schichtenstapels ab. Beispielsweise beträgt die Höhe der 3D-GaN-Schicht wenigstens 200 nm und höchstens 300 nm. Die Höhe der ersten Schichtenfolge
insgesamt kann beispielsweise wenigstens 1600 nm und
höchstens 1800 nm betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schichtstruktur beinhaltet die erste Schichtenfolge die Gradientenschicht, die AlxGavN umfasst, wobei der Aluminium-Anteil x der Gradientenschicht entlang der Stapelrichtung abnimmt und wobei der Gallium-Anteil y der Gradientenschicht entlang der Stapelrichtung zunimmt. Der Aluminium-Anteil in der
Gradientenschicht sinkt somit mit steigendem Abstand zur Silizium-Oberfläche des Trägers.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schichtstruktur umfasst der Schichtenstapel eine zweite Schichtenfolge, die der GaN-Schicht in Stapelrichtung nachfolgt. Hierbei beträgt die Höhe der zweiten Schichtenfolge in Stapelrichtung
wenigstens die Hälfte der Höhe des Schichtenstapels in
Stapelrichtung. Beispielsweise kann die Höhe des
Schichtenstapels wenigstens 5 und höchstens 6 ym betragen, während die Höhe der zweiten Schichtenfolge wenigstens 4 und höchstens 5 ym beträgt. Die zweite Schichtenfolge bildet somit einen großen Teil der Schichtstruktur.
Die zweite Schichtenfolge enthält Aluminium, Gallium und Stickstoff. Die zweite Schichtenfolge kann ferner Indium enthalten. Es ist insbesondere möglich, dass die zweite
Schichtenfolge eine relaxierte Schicht und eine pseudomorphe Schicht aufweist, wobei die relaxierte Schicht mehr Aluminium enthält als die pseudomorphe Schicht. Insbesondere kann die pseudomorphe Schicht im Rahmen der Herstellungstoleranzen kein Aluminium aufweisen. Bevorzugt befindet sich die
relaxierte Schicht entlang der Stapelrichtung näher an der Silizium-Oberfläche als die pseudomorphe Schicht. Die
relaxierte Schicht ist der pseudomorphen Schicht somit in Stapelrichtung nachgeordnet.
Die relaxierte Schicht weist bevorzugt Risse auf. Mit anderen Worten, die relaxierte Schicht beinhaltet Stellen, an welchen die relaxierte Schicht durchtrennt ist. Zumindest eine Schnittebene durch die relaxierte Schicht entlang der
Haupterstreckungsebene ist somit nicht einfach
zusammenhängend. An diesen Stellen kann beispielsweise die pseudomorphe Schicht in die relaxierte Schicht eindringen. Es ist zudem möglich, dass die Risse der relaxierten Schicht Hohlräume in der Schichtstruktur sind. Die Hohlräume können beispielsweise mit einem Gas wie Luft gefüllt sein. Die Risse sind insbesondere durch das relaxierte Wachstum der Schicht bedingt .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schichtstruktur weist die GaN-Schicht in den Bereichen der 3D-GaN-Schicht eine höhere Volumenkonzentration an Kohlenstoff-Fremdatomen auf als in den Bereichen der 2D-GaN-Schicht . Die höhere
Volumenkonzentration an Kohlenstoff-Fremdatomen ist
insbesondere durch die speziell gewählten
Wachstumsbedingungen der 3D-GaN-Schicht bedingt. So wird für das Wachstum der 3D-GaN-Schicht ein sehr niedriges V/III- Verhältnis zur Verfügung gestellt. Dies hat mitunter zur Folge, dass ein hoher Kohlenstoff-Anteil in die Schicht eingebaut wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der Schichtstruktur ist die Schichtstruktur in Stapelrichtung nach einem
Abkühlvorgang konvex gekrümmt. Die Krümmung kann insbesondere sehr gering sein.
Im Folgenden werden das hier beschriebene Verfahren sowie die hier beschriebene Schichtstruktur anhand von
Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert . Die Figuren 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele eines hier beschriebenen Verfahrens und einer hier
beschriebenen Schichtstruktur anhand schematischer Schnittdarstellungen .
Die Figur 3 zeigt Krümmungsmessungen und Halbwertsbreiten von
Röntgenbeugungsmessungen einer hier beschriebenen Schichtstruktur . 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 maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente zur besseren
Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Anhand der schematischen Schnittdarstellung der Figur 1A ist ein erster Verfahrensschritt eines hier beschriebenen
Verfahrens zur Herstellung einer Schichtstruktur 10 näher erläutert. Bei dem Verfahren wird zunächst ein Träger 1 mit einer Silizium-Oberfläche la bereitgestellt. Der Träger dient als Aufwachssubstrat für die nachfolgenden Schichten. Auf der Silizium-Oberfläche la des Trägers 1 wird entlang einer Stapelrichtung H eine erste Schichtenfolge 2
aufgewachsen, die eine Ankeimschicht 21, eine Pufferschicht 22 umfasst. Zusätzlich ist in der Figur 1A die optionale Gradientenschicht 23 dargestellt. Die erste Schichtenfolge 2 kann hierbei Aluminium, Sauerstoff, Stickstoff und Gallium umfassen. Beispielsweise kann der Aluminium-Anteil in der Ankeimschicht 21 höher sein als in der Gradientenschicht 23. Insbesondere kann der Aluminium-Anteil in den Bereichen der ersten Schichtenfolge 2, welche näher an der Silizium- Oberfläche la liegen, höher sein als in den Bereichen, welche in Stapelrichtung H weiter entfernt von der Silizium- Oberfläche la liegen. Es ist ferner möglich, dass die
Pufferschicht 22 aus demselben Material wie die Ankeimschicht 21 gebildet ist.
Auf einer der Silizium-Oberfläche la abgewandten Deckfläche 2a der ersten Schichtenfolge 2 wird nun eine 3D-GaN-Schicht 3 dreidimensional aufgewachsen. Durch das dreidimensionale
Wachstum der 3D-GaN-Schicht 3 bilden sich Inseln 31 aus, die in Stapelrichtung H eine Höhe aufweisen. Hierbei ergibt sich eine unvollständige Bedeckung der Deckfläche 2a der ersten Schichtenfolge 2 mit der Vielzahl mehrlagiger Inseln 31. Es ist hierbei möglich, dass wenige Inseln 31 teilweise lateral überlappen .
Die Figur 1B zeigt einen weiteren Verfahrensschritt eines Verfahrens zur Herstellung einer Schichtstruktur 10. Auf die der Silizium-Oberfläche la abgewandten Außenflächen 3a der 3D-GaN-Schicht 3 wird nun eine 2D-GaN-Schicht 4, die
ebenfalls Galliumnitrid enthält, zweidimensional
aufgewachsen. Hierbei füllt die 2D-GaN-Schicht 4 die Bereiche zwischen den Inseln 31 auf. Die 3D-GaN-Schicht 3 wird somit mittels der 2D-GaN-Schicht koalesziert. Die 2D-GaN-Schicht 4 wächst also zunächst bevorzugt in den Bereichen zwischen den Inseln 31 der 3D-GaN-Schicht 3. Sobald die 2D-GaN-Schicht 4 die Höhe der Inseln 31 der 3D-GaN-Schicht 3 überragt, wächst die 2D-GaN-Schicht 4 auch zweidimensional zusammen. Hierdurch bildet sich eine zusammenhängende GaN-Schicht 3, 4.
Auf die Deckfläche 4a der 2D-GaN-Schicht 4 wird eine zweite Schichtenfolge 5 aufgewachsen. Die zweite Schichtenfolge 5 beinhaltet eine relaxierte Schicht 51 und eine pseudomorphe Schicht 52. Die relaxierte Schicht 51 kann hierbei einen höheren Aluminium-Anteil als die pseudomorphe Schicht 52 aufweisen. Es ist jedoch auch möglich - anders als in den Figuren gezeigt - dass keine zweite Schichtenfolge 5
aufgewachsen wird.
Nach dem Aufwachsen der zweiten Schichtenfolge 5 ist somit der Schichtenstapel 11 der Schichtstruktur 10 erzeugt. Der Schichtenstapel 11 beinhaltet die erste Schichtenfolge 2, die 3D-GaN-Schicht 3, die 2D-GaN-Schicht 4 und die zweite
Schichtenfolge 5. Die 3D-GaN-Schicht 3 und die 2D-GaN-Schicht 4 können insbesondere aus demselben Material bestehen. Nach dem Aufwachsen bilden die 3D-GaN-Schicht 3 und die 2D-GaN- Schicht 4 somit gemeinsam die GaN-Schicht 3, 4. Im Bereich der 3D-GaN-Schicht 3 kann der Schichtenstapel 11 eine höhere Versetzungsdichte und/oder einen höheren Anteil an
Kohlenstoff-Fremdatomen aufweisen. Dies ermöglicht eine
Unterscheidung der 3D-GaN-Schicht 3 und der 2D-GaN-Schicht 4 auch am fertigen Gegenstand.
Gemäß der Figuren 2A und 2B ist ein weiteres
Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Schichtstruktur näher erläutert. Die Figuren 2A und 2B zeigen jeweils eine vergrößerte Ansicht zweier Inseln 31 der 3D-GaN-Schicht 3 einer Schichtstruktur 10. In der Figur 2A wird mit dem
Aufwachsen der 2D-GaN-Schicht 4 λ begonnen, wobei die
Koaleszenz der Inseln 31 noch nicht vollständig beendet ist. Die 2D-GaN-Schicht 4 λ bedeckt zunächst bevorzugt die
Seitenflächen 31b der mehrlagigen Inseln 31. Dementsprechend ist die Deckfläche 2a der ersten Schichtenfolge 2 noch nicht vollständig bedeckt. Die Deckflächen 31a der mehrlagigen Inseln 31 können in dem in der Figur 2A gezeigten Verfahrensstadium zumindest teilweise von der 2D-GaN-Schicht 4λ bedeckt sein.
Aus der ersten Schichtenfolge 2 erstreckt sich eine
Versetzung 6 im Wesentlichen entlang der Stapelrichtung H in Richtung der Deckfläche 2a der ersten Schichtenfolge 2. Im Bereich der Inseln der 3D-GaN-Schicht 3 erfolgt das Wachstum der Versetzung schräg zur Deckfläche 2a der ersten
Schichtenfolge 2. Der schräge Verlauf der Versetzungen 6 kann seinen Ursprung beispielsweise in einer Änderung der
Orientierung der Kristallebenen innerhalb der 3D-GaN-Schicht haben. Das Abknicken der Versetzungen 6 kann also zum einen mit der Änderung der bevorzugten Wachstumsrichtung im
Kristall zusammenhängen. Zum anderen ist es möglich, dass die Versetzung 6 in Richtung der freiliegenden Seitenfläche 31b der jeweiligen Insel 31 strebt, falls die Versetzung 6 keinen allzu großen Abstand zu der Seitenfläche 31b aufweist.
Bei der Koaleszenz treffen zwei zuvor abgeknickte bzw. schräg verlaufende Versetzungen 6 zusammen. Dies ermöglicht, dass sich zwei Versetzungen 6 in dem Zwischenbereich zwischen den Inseln 31 der 3D-GaN-Schicht 3 gegenseitig annihilieren. Eine solche Annihilation der Versetzungen 6 kann an der fertigen Schichtstruktur 10 nachgewiesen werden.
Gemäß der schematischen Schnittdarstellung der Figur 2C ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen Schichtstruktur 10 näher erläutert. Figur 2C zeigt hierbei eine Schichtstruktur 10 vor dem Auskühlen der Schichtstruktur 10. Die Schichtstruktur 10 ist vor dem Auskühlen konvex gekrümmt. Die Figur 2D zeigt eine Schichtstruktur 10 nach dem Auskühlen. Hierbei ist die Schichtstruktur 10 nicht mehr konvex gekrümmt und verläuft im Wesentlichen planar beziehungsweise weist nur eine leicht konvexe oder konkave Krümmung auf. Der Rückgang der konvexen Krümmung durch das Auskühlen der Schichtstruktur 10 ist auf die
unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Schichten der Schichtstruktur 10 zurückzuführen. Insbesondere ist der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Trägers 1 geringer als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Schichtenstapels 11. Gemäß der beispielhaften Krümmungsmessung der Figur 3A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung einer Schichtstruktur 10 näher erläutert. Die Figur 3A zeigt eine erste Messkurve Kl, eine zweite Messkurve K2 und eine dritte Messkurve K3, welche jeweils die Krümmung K einer Schichtstruktur als Funktion der Prozessdauer t zeigen. Die Prozessdauer ist hierbei in willkürlichen Einheiten (a.u.) angegeben. Zunächst wird der Träger 1 für etwa 2000 s aufgeheizt. Anschließend beginnt der Prozess bei einer Zeit von etwa 2000 s. Die Messkurven Kl, K2, K3 sind nur bis zu einer Prozessdauer von 10000 s aufgetragen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Schichtstruktur 10 bereits fertig gestellt. Anschließend, ab einem Zeitpunkt > 10000 s, wird die Schichtstruktur 10 abgekühlt. Die erste Messkurve Kl zeigt die Krümmung einer
Schichtstruktur 10, die mit einem hier beschriebenen
Verfahren hergestellt wurde, wobei die Ankeimschicht 21 mittels PVD aufgebracht wird. Die zweite Messkurve K2 zeigt die Krümmung einer Schichtstruktur 10, die ebenfalls mit einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt wurde, wobei die Ankeimschicht 21 mittels MOCVD aufgebracht wird. Die dritte Messkurve K3 zeigt die Krümmung einer ansonsten baugleichen Schichtstruktur, welche eine Siliziumnitrid- Maskenschicht anstelle einer 3D-GaN-Schicht 3 umfasst, wobei die Ankeimschicht 21 der Schichtstruktur mit MOVPE
aufgebracht wird. Dementsprechend können die Messkurven K2 und K3 direkt miteinander verglichen werden.
Der hohe Peak der dritten Messkurve K3 bei einer Zeit von etwa 2200 s ist ein Messartefakt. Der erste, zweite und dritte Startpunkt KU, K21, K31 markieren jeweils den
Zeitpunkt, zu dem mit dem Aufbringen der 3D-GaN-Schicht 3, beziehungsweise im Fall der Messkurve K3 der Siliziumnitrid- Maskenschicht, begonnen wird. Der erste, zweite und dritte Zwischenpunkt K12, K22, K32 markieren jeweils den Zeitpunkt, zu dem mit dem Aufbringen der pseudomorphen Schicht 52 begonnen wird.
Die erste und die zweite Messkurve Kl, K2 weisen eine
ähnliche Steigung beim Aufwachsen der zweiten Schichtenfolge 5 auf. Die erste und zweite Messkurve Kl, K2 weisen zudem eine höhere Steigung als die dritte Messkurve K3 auf. Mit anderen Worten, die Krümmung der ersten und der zweiten
Messkurve Kl, K2 nimmt schneller zu als die Krümmung der dritten Messkurve K3. Die Steigung der Krümmung entspricht im Wesentlichen der Verspannung der Schichtstruktur 10. Eine positive Steigung ist hierbei mit einer Änderung der Krümmung in eine konvexe Krümmung kompressiver Verspannung
gleichzusetzen. Je größer die Steigung einer Krümmungskurve ist, desto größer kann das Maß für die Annahme der
natürlichen Gitterkonstante der darunterliegenden Schicht im Fall der zweiten Schichtenfolge sein. Mit anderen Worten, bei einer höheren Steigung in der Krümmungsmessung kann der
Anteil der natürlichen Gitterkonstanten der unter der
jeweiligen Schicht mit entsprechend hoher Steigung liegenden Schicht ebenfalls höher sein. Die Schichtstrukturen 10, die mit einem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, weisen somit vor dem Abkühlen eine höhere kompressive Verspannung auf. Insbesondere eine Schichtstruktur 10, welche eine
Ankeimschicht 21, die mit einem PVD-Verfahren aufgebracht wird, umfasst, zeigt hierbei eine hohe kompressive
Verspannung. Dadurch kann einer tensilen Verspannung nach dem Abkühlen entgegengewirkt werden.
Gemäß der Halbwertsbreiten (FWHM) der Figur 3B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer hier beschriebenen
Schichtstruktur 10 näher erläutert. Die Halbwertsbreiten gehen aus Röntgenbeugungsmessungen hervor. Die Figur 3B zeigt eine erste Halbwertsbreite K2A und eine zweite
Halbwertsbreite K3A der mittels Röntgenbeugung gemessenen Winkelverteilungen. Eine höhere Kristallqualität führt hierbei zu einer schmaleren Winkelverteilung und damit zu einer geringeren Halbwertsbreite. Insbesondere eine
reduzierte Anzahl an Defekten und Versetzungen in dem
Kristallgitter der Schichtstruktur würde zu einer Reduktion der Streuung einer Röntgenstrahlung und damit zu einer
Reduktion der Halbwertsbreite der Röntgenbeugungsmessung führen. Die Halbwertsbreiten K2A, K3A sind jeweils in
Bogensekunden angegeben.
Die erste Halbwertsbreite K2A wurde mit einer Schichtstruktur 10, die mittels eines hier beschriebenen Verfahrens
hergestellt wurde, gemessen. Die zweite Halbwertsbreite K3A wurde mit einer ansonsten baugleichen Schichtstruktur, die eine Maskenschicht mit Siliziumnitrid umfasst, gemessen. Die erste Halbwertsbreite K2A ist geringer als die zweite
Halbwertsbreite K3A. Eine hier beschriebene Schichtstruktur 10 weist dementsprechend weniger Defekte als eine ansonsten baugleiche Schichtstruktur, die eine Maskenschicht mit
Siliziumnitrid beinhaltet, auf. Das hier beschriebene Verfahren zur Herstellung einer
Schichtstruktur 10 beziehungsweise die hier beschriebene Schichtstruktur 10 weist einige Vorteile auf. So ist die Schichtstruktur 10 frei von einer Maskenschicht mit Silizium. Insbesondere für den Bau von Elektronik-Bauelementen könnte eine solche Silizium-Schicht in dem Schichtenstapel 11, insbesondere in der GaN-Schicht 3, 4, zu einer unerwünschten Querleitfähigkeit auf der n-Seite des auf die Schichtstruktur des Halbleiterbauelements führen. Weiterhin erfolgt die kompressive Verspannung der Schichten bereits zu einem sehr frühen Verfahrensschritt. Dies führt insbesondere zu besseren Verspannungswerten, wodurch Risse in der Schichtstruktur, die die elektrischen und optoelektrischen Schichten nicht
durchdringen, jedoch die oberflächlichen Schichten zerstören, vermieden werden können.
Insbesondere die kristalline Qualität der hier beschriebenen Schichtstruktur ist mindestens genauso gut wie die
kristalline Qualität einer ansonsten baugleichen
Schichtstruktur, welche eine Maskenschicht mit Silizium umfasst.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Anmeldung DE 10 2014 105 303.6, deren
Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen i den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur (10) als Pufferschicht eines Halbleiterbauelements mit den folgenden Schritten:
a) Bereitstellen eines Trägers (1), der eine Silizium- Oberfläche (la) aufweist,
b) Abscheiden einer ersten Schichtenfolge (2), die eine Ankeimschicht (21), die Aluminium, Sauerstoff und
Stickstoff enthält, umfasst, auf der Silizium-Oberfläche (la) des Trägers (1) entlang einer Stapelrichtung (H) , die senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene des
Trägers (1) verläuft,
c) dreidimensionales Wachstum einer 3D-GaN-Schicht (3) , die mit Galliumnitrid gebildet ist, auf eine der
Silizium-Oberfläche (la) abgewandte Deckfläche (2a) der ersten Schichtenfolge (2),
d) zweidimensionales Wachstum einer 2D-GaN-Schicht (4), die mit Galliumnitrid gebildet ist, auf den der
Silizium-Oberfläche (la) abgewandten Außenflächen (3a) der 3D-GaN-Schicht (3) .
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch,
wobei
- in Schritt c) die 3D-GaN-Schicht (3) eine Vielzahl mehrlagiger Inseln aufweist, die sich entlang der
Stapelrichtung (H) erstrecken, und sich eine
unvollständige Bedeckung der Deckfläche (2a) der ersten Schichtenfolge (2) mit der Vielzahl mehrlagiger Inseln ergibt, und
- in Schritt d) die Vielzahl mehrlagiger Inseln mittels der 2D-GaN-Schicht (4) koalesziert, wobei die 2D-GaN- Schicht (4) stellenweise an Seitenflächen (31b) der mehrlagigen Inseln grenzt, die schräg zur Deckfläche (2a) der ersten Schichtenfolge (2) verlaufen, wodurch sich eine vollständige Bedeckung der Deckfläche (2a) der ersten Schichtenfolge (2) ergibt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei bei dem dreidimensionalen Wachstum in Schritt c) im Vergleich zu dem zweidimensionalen Wachstum in
Schritt d) mindestens eine der Wachstumsbedingungen wie folgt geändert wird:
- Reduktion der Reaktortemperatur,
- Erhöhung des Reaktordruckes, und/oder
- Reduktion des V/III-Verhältnisses .
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Abscheiden der ersten Schichtenfolge (2) in
Schritt b) die folgenden Schritte beinhaltet:
- Aufwachsen der Ankeimschicht (21) auf die Silizium- Oberfläche (la) des Trägers (1),
- Aufwachsen einer Pufferschicht (22), die Aluminium und Stickstoff umfasst, an einer der Silizium-Oberfläche (la) abgewandte Seite der Ankeimschicht (21) .
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Abscheiden der ersten Schichtenfolge (2) in
Schritt b) zusätzlich den folgenden Schritt beinhaltet:
- Aufwachsen einer Gradientenschicht (23) , die mit
AlxGayN gebildet ist, an einer der Silizium-Oberfläche (la) abgewandte Seite der Pufferschicht (22), wobei der Konzentrationsanteil der Aluminium-Atome x entlang der Stapelrichtung (H) abnimmt und wobei der
Konzentrationsanteil der Gallium-Atome y entlang der Stapelrichtung (H) zunimmt. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei dem Aufwachsen der 2D-GaN-Schicht (4) in Schritt d) nachfolgend eine zweite Schichtenfolge (5) an einer der Silizium-Oberfläche (la) abgewandte Seite der 2D- GaN-Schicht (4) aufgewachsen wird, wobei die zweite Schichtenfolge (5)
- Aluminium, Gallium und Stickstoff enthält,
- eine relaxierte Schicht (51) und eine pseudomorphe Schicht (52) umfasst, wobei
- die relaxierte Schicht (51) einen höheren Aluminium- Anteil aufweist als die pseudomorphe Schicht (52),
- das Aufwachsen der relaxierten Schicht (51) vor dem Aufwachsen der pseudomorphen Schicht (52) durchgeführt wird, und
- die pseudomorphe Schicht (52) kompressiv verspannt ist .
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Schichtstruktur (10) am Ende des Verfahrens abgekühlt wird, wobei die Krümmung der Schichtstruktur (10) in Stapelrichtung (H) vor dem Abkühlen (10) konvex ist .
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die 3D-GaN-Schicht (3) und die 2D-GaN-Schicht (2) vor dem Abkühlen jeweils kompressiv verspannt sind.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Einbringen von Silizium in die Schichtstruktur (10), mit Ausnahme der Silizium-Oberfläche (la) des Trägers (1), gezielt vermieden wird. Schichtstruktur (10) als Pufferschicht eines
Halbleiterbauelements , aufweisend
- einen Träger (1) mit einer Silizium-Oberfläche (la),
- einen Schichtenstapel (11), der in Stapelrichtung (H) auf der Silizium-Oberfläche (la) des Trägers (1) angeordnet ist, aufweisend
- eine erste Schichtenfolge (2) mit einer
Ankeimschicht (21), die Aluminium und Stickstoff enthält,
- eine GaN-Schicht (3, 4), wobei
- die Dichte der Versetzungen (6) in dem Schichtenstapel (11) entlang der Stapelrichtung (H) abnimmt.
Schichtstruktur (10) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei der der Schichtenstapel (11) frei von einer
Maskenschicht ist, die Silizium umfasst.
Schichtstruktur (10) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei der die erste Schichtenfolge (2) und die GaN-Schicht (3, 4) frei von einem Silizium-Dotierstoff ist.
Schichtstruktur (10) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei der die GaN-Schicht (3, 4) eine 3D-GaN-Schicht (3) und eine 2D-GaN-Schicht (4) umfasst, wobei die Abnahme der Versetzungsdichte in einem Übergangsbereich zwischen der 3D-GaN-Schicht (3) und der 2D-GaN-Schicht (4) erfolgt .
Schichtstruktur (10) nach einem der vorherigen
Ansprüche, bei der im Übergangsbereich zwischen der 3D-GaN-Schicht (3) und der 2D-GaN-Schicht (4) Versetzungslinien (6) stellenweise quer zur Stapelrichtung (H) verlaufen.
Schichtstruktur (10) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei der die Versetzungsdichte innerhalb eines Bereiches, dessen Höhe maximal 1/5 der gemeinsamen Höhe der ersten Schichtenfolge (2) und der GaN-Schicht (3, 4) in
Stapelrichtung (H) entspricht, auf einen Wert von höchstens 2 x 109 cm-3 abnimmt.
Schichtstruktur (10) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei der die erste Schichtenfolge eine Gradientenschicht (23) beinhaltet, die mit AlxGayN gebildet ist, wobei 0 -S x < 1 und 0 < γ < 1 der Konzentrationsanteil der
Aluminium-Atome x in der Gradientenschicht (23) entlang der Stapelrichtung (H) abnimmt und wobei der
Konzentrationsanteil der Gallium-Atome y in der
Gradientenschicht (23) entlang der Stapelrichtung (H) zunimmt .
Schichtstruktur (10) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei der der Schichtenstapel (11) eine zweite
Schichtenfolge (5) umfasst, die der GaN-Schicht in
Stapelrichtung (H) nachfolgt, wobei
- die Höhe der zweiten Schichtenfolge (5) in
Stapelrichtung (H) wenigstens die Hälfte der Höhe des Schichtenstapels (11) in Stapelrichtung (H) beträgt
- die zweite Schichtenfolge (5) Aluminium, Gallium und Stickstoff enthält, und - die zweite Schichtenfolge (5) eine relaxierte Schicht (51) und eine pseudomorphe Schicht (52) umfasst, wobei
- die relaxierte Schicht (51) einen höheren Aluminium- Anteil aufweist als die pseudomorphe Schicht (52),
- die relaxierte Schicht (51) in Stapelrichtung (H) vor der pseudomorphen Schicht (52) angeordnet ist und
- die relaxierte Schicht (51) Risse aufweist.
18. Schichtstruktur (10) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei der die GaN-Schicht (3, 4) in den Bereichen der 3D- GaN-Schicht (3) eine höhere Volumen-Konzentration an Kohlenstoff-Fremdatomen aufweist als in den Bereichen der 2D-GaN-Schicht (4) .
19. Schichtstruktur (10) nach einem der vorherigen
Ansprüche,
bei der die Schichtstruktur (10) vor dem Abkühlen in Stapelrichtung (H) konvex gekrümmt ist.
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