WO2020120735A1 - Verfahren zum abscheiden einer heterostruktur und nach dem verfahren abgeschiedene heterostruktur - Google Patents

Verfahren zum abscheiden einer heterostruktur und nach dem verfahren abgeschiedene heterostruktur Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for depositing a heterostructure from single-crystal layers with different lattice constants, a nucleation layer on a substrate, a buffer layer consisting of a layer sequence on the nucleation layer and at least one active layer on the buffer layer be deposited.
  • the layer sequence here has a multiplicity of pairs of layers which are clamped to one another, consisting of a first layer which has a first lattice constant in an unstressed crisis and which exerts a lateral tensile stress on the substrate as a layer of the layer sequence, and a second layer which has a second lattice constant in an unstrained crystal, which is greater than the first lattice constant, and as the layer of the layer sequence exerts a lateral compressive stress on the substrate.
  • the invention further relates to a heterostructure of monocrystalline layers with different lattice constants, with a nucleation layer on a substrate, a buffer layer consisting of a coherent layer sequence on the nucleation layer and at least one active layer being deposited on the buffer layer.
  • the layer sequence results from a multiplicity of mutually strained pairs of layers, in particular consisting of a first layer which has a first lattice constant in an unstrained crystal, and a second layer which has a second lattice constant in an unstrained crystal which is greater than the first Lattice constant, where a local lattice constant is the second Layer with formation of lattice defects increases with increasing distance from the underlying first layer.
  • the invention also relates to an electronic component, in particular HEMT with a heterostructure.
  • the first of the publications described above describes a layer system which is deposited on a silicon substrate or silicon carbide substrate.
  • a nucleation layer is first deposited on the silicon substrate.
  • the nucleation layer is particularly important because the lattice constant of the buffer layer deposited on the nucleation layer differs from the lattice constant of the substrate.
  • the aim of depositing a nucleation layer is to achieve an essentially single-crystalline surface, so that a coherent surface is formed on this surface
  • the super lattice essentially contains layers of A1N or AlGaN. It is important that the aluminum content is as high as possible, since an active layer system for a high electron mobility transistor (HEMT) is to be deposited on the buffer layer and a high aluminum concentration is a prerequisite for a high electrical breakdown voltage.
  • the buffer layer which is made up of several pairs of layers arranged one above the other, also has the task of increasing the stress conditions resulting from the deposition of the remaining layers and from the difference in the thermal expansion coefficients of the materials used compensate so that the substrate extends in one plane after coating.
  • the two layers of the pair of layers from which the super lattice of the buffer layer is constructed have different lattice constants.
  • the layers are deposited in a coherent crystal structure, as is clearly shown in FIGS. 2A to 2C of US Pat. No. 9,090,993 B2.
  • the first layer the AIN layer
  • the AlGaN layer stresses arise in both directions on both sides of the boundary layer between the two layers. In the area of the first layer a tensile stress builds up and in the area of the second layer an opposing compressive stress.
  • the layer sequence tends to bend.
  • the nucleation layer (AIN layer) deposited directly on the substrate, for example on a silicon substrate, exerts a tensile stress on the substrate. These tensions have to be balanced in such a way that they are averaged out at room temperature in such a way that the substrate is not arched, i.e. in one plane.
  • AIN layer a variety of alternating tensile stress and a are on the nucleation layer
  • Layers of compressive stress are deposited on the substrate, the layer thickness and the layer composition being designed, if possible, in such a way that the stresses in the entire structure are balanced, in particular also those resulting from the difference in the coefficients of thermal expansion.
  • the invention is based on the finding that the second layer (AlGaN layer) exerting a lateral compressive stress on the substrate relaxes with increasing distance from the underlying layer.
  • the second layer has a lattice constant that is greater than the lattice constant of the layer below, so that the monolayers of the second layer deposited directly on the first layer are under compressive stress. This compressive stress leads to lattice defects forming with increasing distance from the boundary layer to the first layer, which result in a local increase in the lattice constant.
  • the local lattice constant thus increases with increasing distance between the layers of the layer, with the result that the lateral stress within the crystal is reduced. As a result, the compressive stress drops, which otherwise compensates for the tensile stress of the underlying layer.
  • the observed crack-free relaxation of the second layer causes an increased tensile stress in the first layer of a further layer pair deposited on the second layer, since the lattice constant of the second layer is much smaller than the lattice constant of the relaxed first layer. Since the first layer is considerably thinner than the second layer, it has only a small relaxation and thus a smaller number of lattice defects, despite an internal tension.
  • a method of the generic type is described in DE 11 2014 003 533 T5.
  • a buffer layer made of A1N with a thickness of 150 nm is deposited on a silicon substrate.
  • This AIN layer Layer pairs deposited from A1N and AlGaN.
  • the AIN layer should be 5 nm and the AlGaN layer 16 nm thick. 75 such pairs are deposited on top of each other.
  • a 70 nm thick A1N intermediate layer is then deposited.
  • the AlGaN layer is only about three times as thick as the AIN layer.
  • the invention has for its object to provide measures with which a buffer layer consisting of a large number of layers, in particular layer pairs, can be built up stress-free and in particular enables the aluminum content of the buffer layer to be as high as possible.
  • the second layer which can be an AlGaN layer
  • the first layer which can be an AIN layer.
  • a more strained first layer in particular an AIN layer, is formed since the second layer relaxes more due to its greater layer thickness.
  • the distance between two intermediate layers that is the sum of the layer thicknesses of the pairs of layers arranged between two intermediate layers or the nucleation layer and a first intermediate layer, each consisting of a first and a second layer, is preferably in a range between 150 nm and 1 ⁇ m.
  • the preferred method for separating the heterostructure according to the invention is a MOCVD method in which gaseous starting materials, which contain aluminum, gallium and nitrogen, are fed into a process chamber of a CVD reactor.
  • the deposition of the layer sequence existing on the first layer and the second layer is preferably carried out with a constant flow of a process gas containing aluminum and a process gas containing nitrogen.
  • this layer sequence is separated, only the inflow of the gas containing gallium is periodically switched on or off.
  • an intermediate layer be deposited between a first number of pairs of layers.
  • Each pair of layers consists of a layer that has a small, first equilibrium lattice constant in an unstrained crystal and a second layer that has a second, larger equilibrium lattice constant in an unstrained crystal. Due to the epitaxial correlation to the nucleation layer or the previously deposited layers, the first layer is tensile and the second compressive. The mutual bracing has the consequence that the actual lattice spacing in the two layers deviates from the respective equilibrium lattice constants. It is referred to below as the local grid constant.
  • an intermediate layer is deposited at the latest when the second layer is almost completely relaxed, that is to say particularly preferably after the deposition of at least five identical pairs of layers, preferably after at least eight identical pairs of layers.
  • the intermediate layer consists of a crystal which has a small equilibrium lattice constant in the untensioned state and in particular that of the first layer.
  • the intermediate layer can be identical to the material of the first layer.
  • the intermediate layer is applied to the layer pair system with such a deposited layer thickness that the intermediate layer exerting a strong tensile stress in the interface relaxes with increasing distance from the underlying layer.
  • the relaxation also takes place here with the formation of imperfections, but without cracks, whereby - unlike the relaxation of the second layer - the local lattice constant does not increase, but decreases. This has the consequence that the tensile stress built up by the intermediate layer within the intermediate layer decreases with increasing distance from the layer below.
  • a crystal layer which preferably has the same local lattice constant as the surface of the nucleation layer before the deposition of the first layer.
  • At least one further layer sequence is then deposited on the intermediate layer, which has essentially the same properties as the layer sequence described above and deposited directly on the nucleus layer.
  • at least five, preferably at least eight, identical pairs of layers can be deposited.
  • the active layers can then be deposited on this further layer sequence.
  • the at least one active layer can have a doped or undoped GaN layer.
  • a multiplicity of layer sequences, each separated from an intermediate layer can be deposited one above the other, the layer sequences consisting of identical, directly deposited layer pairs consisting of exactly two layers.
  • the first layer preferably consists of A1N
  • the second layer preferably consists of AlGaN, the aluminum nitride component being at least 25, preferably at least 27 percent.
  • the layer thickness of the first layer is in the range between 2 and 10 nm and preferably in the range between 3 and 5 nm.
  • the layer thickness of the second layer is at least a factor 5 greater than the layer thickness of the first layer. Their layer thickness can be in the range between 20 and 40 nm.
  • the layer thickness of the intermediate layer is by a factor of 5, preferably a factor of 8 and particularly preferably a factor 10 greater than the layer thickness of the first layer. It is preferably also greater than the layer thickness of the second layer.
  • the intermediate layer preferably consists of A1N.
  • the entire layer sequence consisting of identical pairs can have a layer thickness in the range between 150 nm and 1 gm. But it can also have a layer thickness of 2 to 3 gm.
  • a HEMT structure which consists of an undoped GaN, an A1N and an AlGaN layer, can be deposited on preferably eight layer sequences, which are each separated from one another by an intermediate layer and each preferably have eight layer pairs.
  • a component produced with a heterostructure according to the invention additionally has electrical contacts.
  • the number of pairs of layers arranged between two intermediate layers is not the same in each case, but rather increases with increasing distance from the substrate.
  • the increase in the number of interlayers can be linear.
  • the increase in the intermediate layers can also be sublinear or superlinear and, in particular, exponential.
  • a relevant factor can be between 1.1 and 2 and preferably 1.5, so that, for example, eight layer pairs are arranged between the nucleation layer and the first intermediate layer, twelve layer pairs between the first intermediate layer and the second intermediate layer, and eighteen layer pairs are arranged between the second intermediate layer and the third intermediate layer.
  • Such a gradual increase in the number of pairs of layers improves the quality of the surface of the top layer.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a layer sequence which is deposited using the method according to the invention
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the layer sequence
  • Fig. 3 explains the technical effect of the layer structure according to the invention.
  • Fig. 4 shows schematically an electronic component.
  • FIG. 1 shows a layer sequence deposited in a MOCVD reactor on a p-Si (1 1 1) substrate with a substrate thickness of 725 gm.
  • a 150 nm thick AIN nucleation layer N is first removed from the substrate been divorced.
  • a layer sequence in the form of eight pairs of layers has been deposited on this nucleation layer N and consists of a first layer A and a second layer B, the first layer A being a 4 nm thick A1N and the second layer B being a 30 nm thick AlGaN 27 layer is.
  • An intermediate layer C of 40 nm A1N was then deposited on this first layer sequence.
  • This layer system comprising eight pairs of layers of the same design and an intermediate layer C deposited thereon was deposited eight times one above the other.
  • This buffer layer is complemented by a further layer sequence AB, a 300 nm GaN layer D and a 700 nm GaN: C layer E.
  • the layers A, B, C are selected with regard to their layer thicknesses in such a way that, in total, they do not exert any lateral tension on the substrate at room temperature, so that the substrate extends in one plane.
  • Figure 2 shows somewhat more generally the layer structure according to the invention, in which a nucleation layer N is first deposited on a substrate. A pair of layers is then deposited on the nucleation layer N in n-fold order, the layer pair consisting of a first layer A with a first equilibrium lattice constant and a second layer B with a second, different lattice constant. An intermediate layer C, which has a different equilibrium lattice constant than the second layer B, is deposited onto this n-fold layer sequence. This layer system consisting of the intermediate layer C and the n-layer pairs is deposited several times one above the other. Two sequence layer systems are deposited in FIG. 2, onto which a system of active layers D, E, F is then deposited.
  • the equilibrium lattice constant of the intermediate layer C can correspond to the first equilibrium lattice constant. Since the second layer B is thicker than the first layer A, its local lattice constant approaches the equilibrium lattice constant with increasing distance from the underlying layer. The local lattice constant of the first layer A changes only slightly.
  • the intermediate layer C which is deposited on the second layer B with a local lattice constant of the underlying second layer B, changes its local lattice constant with increasing distance from the underlying layer in the direction of the equilibrium lattice constant of the intermediate layer C.
  • FIG. 3 illustrates under III the layer structure shown in FIGS. 1 and 2.
  • a plurality of first and second layers A, B are separated in the form of pairs of layers.
  • the lines pointing obliquely upwards illustrate the decrease in tensile stresses or compressive stresses in the layers.
  • the tensile stresses are illustrated by two arrows pointing towards each other and the compressive stresses by two arrows pointing away from each other.
  • I illustrates the magnitude of the tensile stress S (left -) or the compressive stresses (right +) similar to the lines pointing upward in III.
  • the nucleation layer N deposited on the substrate has a first equilibrium lattice constant in a relaxed crystal which corresponds to that of A1N. This differs from the equilibrium lattice constant of the substrate S, so that the nucleation layer N exerts a tensile stress on the substrate which, as a result of the relaxation of the nucleation layer N, decreases with increasing distance from the substrate.
  • a first layer A is deposited on the nucleation layer N, which in the exemplary embodiment likewise consists of A1N and which exerts a tensile stress.
  • the second layer B is an AlGaN layer which has a second equilibrium lattice constant which is greater than the first equilibrium lattice constant.
  • the second layer B applies a compressive stress to the substrate S.
  • the local lattice constant in the second layer B increases with increasing distance from the substrate. This relaxation has the consequence that the tensile stress shown in I decreases with increasing distance from the first layer A.
  • III and II show that the local lattice constant increases increasingly due to the several layers pairs deposited one above the other, with the result that the tensile stresses applied by layers A become greater with increasing distance from the substrate, which are exerted by layers B. Compressive forces decrease with increasing distance.
  • the compressively stressed layers B are designed to be considerably thicker than the tensile stress layers A and thus compensating compressive stresses are introduced.
  • an intermediate layer C made of A1N or AlGaN is deposited on the layer sequence.
  • the material of the intermediate layer C has an equilibrium lattice constant that is considerably smaller than the local lattice constant of the uppermost second layer B at the interface with the intermediate layer C.
  • FIG. 3 shows that the nucleation layer N is followed directly by a first layer A. However, it can also be provided that the nucleat The second layer B follows immediately if the first layer A is identical to the nucleation layer N.
  • the number of pairs of layers, which are located between the nucleation layer and the first intermediate layer C or between the subsequent intermediate layers C increases successively, for example by a factor of 1.2 or 1.5.
  • the interface of the intermediate layer C with the next first layer A deposited thereon of a further layer sequence has approximately the value that the local lattice constant of the nucleation layer N has at the interface with the first layer A. It is thus possible to deposit virtually any number of layer sequences, each consisting of several pairs of layers and an intermediate layer C, in order to form a buffer layer for an HEMT structure that is as rich in aluminum as possible.
  • the invention also has the following advantages: by the possibility that strain engineering can be used even at high temperatures, it is possible to reduce the intrinsic carbon level in the super lattice and the carbon incorporation by a dopant, for example Ethene and propane can be specifically adjusted, which can improve both the breakdown voltage and the dynamic behavior of the buffer.
  • a dopant for example Ethene and propane
  • a relatively large compressive stress builds up in the layer system. Due to the thickness and the position of the intermediate layer C, which is composed in particular of A1N, in the buffer layer, the tension can be set in a very targeted manner and thus also the bending of the substrate during and after a deposition process of the layers.
  • This "interlayer approach” enables a super lattice buffer to be deposited at temperatures below 1,000 ° C, for example 940 ° C, but also above 1,000 ° C, for example at 1,050 ° C.
  • the structure of the intermediate layer C corresponds to the growth temperature of the su per lattice buffer.
  • a crack-free relaxed intermediate layer C can be deposited with the specified process parameters.
  • FIG. 4 schematically shows a HEMT with two electrical contacts K on the active layer sequence D, E, F.
  • a method which is characterized in that after at least five pairs of layers, an intermediate layer C which is tensioned counter to the second layer B and which is at least five times as thick as the first layer A and whose tension decreases with increasing layer thickness as a result of relaxation is deposited .
  • a method which is characterized in that the crystalline connection of the first layer A in an unstrained crystal has a first equilibrium lattice constant which is smaller than a second equilibrium lattice constant which the crystalline connection of the second layer B in one has unstressed crystal, so that the first layer A exerts a lateral tensile stress and the second layer exerts a lateral compressive stress.
  • a heterostructure which is characterized in that one or more layers on at least five identical, in particular identical layers ten pairs follows an intermediate layer C, which has a different, in particular smaller, equilibrium lattice constant than the second equilibrium lattice constant in an unstrained crystal and whose layer thickness is at least five times the first layer thickness.
  • a method or a hetero structure which are characterized in that a local lattice constant of the second layer B changes with the formation of lattice defects with increasing distance from the underlying layer A to the second equilibrium lattice constant and the layer thickness of the intermediate layer C is so large that a local lattice constant of the intermediate layer C changes with the formation of lattice defects with increasing distance from the layer below to the first equilibrium lattice constant.
  • a method or a heterostructure which are characterized in that the substrate S consists of silicon, the nucleation layer made of A1N, the first layer A made of A1N, the second layer B made of AlGaN and the intermediate layer C made of A1N.
  • a method or a heterostructure which are characterized in that at least one active layer or layers of D, E, F is deposited on the buffer layer, in particular a doped or undoped GaN layer, AlGaN- Layer and / or AIN layer comprises.
  • a method or a hetero structure which are characterized in that the distance between two intermediate layers C is 250 nm to 1 gm.
  • a method or a hetero structure which are characterized in that the second layer B is at least six times as thick as the first layer A.
  • a method or a heterostructure which are characterized in that the heterostructure is the basic structure for a HEMT transistor.
  • a method or a hetero structure which are characterized in that the aluminum nitride content of the AlGaN layer is at least 25 percent, preferably at least 27 percent.
  • a method or a heterostructure which are characterized in that the number of particularly identical pairs of layers A, B between the nucleation layer N and the first intermediate layer C and between further intermediate layers increases with increasing distance from the substrate S, where the increase is preferably in accordance with a fixed factor.
  • a method which is characterized in that the first layer A using TMA1, NH 3 at a total pressure in a range from 25 to 100 mbar, in particular at 50 mbar and / or at a temperature in a range from 900 up to 1,000 C, in particular at 1,050 C and / or with a growth rate in a range from 2 to 12 nm / min, in particular at 8 nm / min; and / or that the second layer B using TMA1, TMGa, NH 3 at a total pressure in a range from 25 to 100 mbar, in particular at 50 mbar and / or at a temperature in a is deposited in a range from 900 to 1,100 C, in particular at 1,050 C and / or with a growth rate in a range from 10 to 40 nm / min, in particular at 28 nm / min; and / or that the intermediate layer C using TMA1, TMGa, NH 3 at a total pressure in a range from 25 to 100 mbar,
  • a component which is characterized in that the heterostructure is designed according to one of claims 3 to 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer Heterostruktur aus insbesondere einkristallinen Schichten, wobei auf eine auf einem Substrat (S) aufgebrachte Nukleationsschicht (N) als Bufferschicht eine Vielzahl von aus einer ersten Schicht (A) und einer insbesondere dickeren zweiten Schicht (B) bestehende, aufgrund unterschiedlicher Gitterkonstanten der ersten und zweiten Schichten (A, B) lateral zug- und druckverspannte Schichtenpaare derart abgeschieden werden, dass die Verspannung der zweiten Schicht (B) mit zunehmender Anzahl der Schichtenpaare als Folge einer Relaxation abnimmt. Um den Folgen der Relaxation der zweiten Schicht (B) entgegenzuwirken wird vorgeschlagen, dass nach zumindest fünf Schichtenpaaren eine der zweiten Schicht (B) entgegenverspannte Zwischenschicht (C) abgeschieden wird, die mindestens fünfmal so dick wie die erste Schicht (A) ist und deren Verspannung mit zunehmender Schichtdicke als Folge einer Relaxation abnimmt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Abscheiden einer Heterostruktur und nach dem Verfahren abgeschiedene Heterostruktur
Gebiet der Technik
[0001] Die Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer Hete rostruktur aus einkristallinen Schichten mit voneinander verschiedenen Gitter- konstanten, wobei auf einem Substrat eine Nukleationsschicht, auf die Nuklea- tionsschicht eine aus einer Schichtenfolge bestehende Bufferschicht und auf die Bufferschicht mindestens eine aktive Schicht abgeschieden werden. Die Schich tenfolge weist hierbei eine Vielzahl von untereinander verspannten Schichten paare auf, bestehend aus einer ersten Schicht, die in einem unverspannten Kris- fall eine erste Gitterkonstante aufweist und als Schicht der Schichtenfolge eine laterale Zugspannung auf das Substrat ausübt, und eine zweite Schicht, die in einem unverspannten Kristall eine zweite Gitterkonstante aufweist, die größer ist als die erste Gitterkonstante, und als Schicht der Schichtenfolge eine laterale Druckspannung auf das Substrat ausübt. [0002] Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Heterostruktur aus einkris tallinen Schichten mit voneinander verschiedenen Gitterkonstanten, wobei auf einem Substrat eine Nukleationsschicht, auf der Nukleationsschicht eine aus einer kohärenten Schichtenfolge bestehende Bufferschicht und auf der Buffer schicht mindestens eine aktive Schicht abgeschieden sind. Die Schichtenfolge ergibt sich aus einer Vielzahl von untereinander verspannten Schichtenpaare insbesondere bestehend aus einer ersten Schicht, die in einem unverspannten Kristall eine erste Gitterkonstante aufweist, und eine zweite Schicht, die in ei nem unverspannten Kristall eine zweite Gitterkonstante aufweist, die größer ist als die erste Gitterkonstante, wobei eine lokale Gitterkonstante der zweiten Schicht unter Ausbildung von Gitterdefekten mit zunehmendem Abstand von der darunterliegenden ersten Schicht zunimmt.
[0003] Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein elektronisches Bauelement, insbesondere HEMT mit einer Heterostruktur.
Stand der Technik
[0004] Hetero Strukturen der vorbezeichneten Art und Verfahren zu deren Fer tigung werden unter anderem in den US 2016/ 0190387 Al und US 9,090,993 B2 beschrieben.
[0005] Die erste der zuvor beschriebenen Druckschriften beschreibt ein Schich tensystem, welches auf einem Siliziumsubstrat oder Silizium-Karbidsubstrat abgeschieden wird. Dabei wird auf das Siliziumsubstrat zunächst eine Nuklea- tionsschicht abgeschieden. Die Nukleationsschicht ist insbesondere deshalb von Bedeutung, weil die Gitterkonstante der auf die Nukleationsschicht abgeschie denen Bufferschicht von der Gitterkonstante des Substrates abweicht. Ziel des Abscheidens einer Nukleationsschicht ist das Erreichen einer im Wesentlichen einkristallinen Oberfläche, so dass auf dieser Oberfläche ein kohären
tes/epitaktisches Schichtensystem (super lattice) abgeschieden werden kann. Das super lattice enthält im Wesentlichen Schichten aus A1N oder AlGaN. We sentlich ist dabei, dass der Aluminiumgehalt möglichst hoch ist, da auf die Buf ferschicht ein aktives Schichtensystem für einen high electron mobility transis- tor (HEMT) abgeschieden werden soll und eine hohe Aluminiumkonzentration Voraussetzung für eine hohe elektrische Durchbruchspannung ist. Die aus mehreren übereinander angeordneten Schichtenpaaren aufgebaute Buffer schicht hat darüber hinaus die Aufgabe, die durch die Abscheidung der übri gen Schichten sowie aus der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffi zienten der verwendeten Materialien resultierenden Verspannunsgzustände zu kompensieren, so dass sich das Substrat nach dem Beschichten in einer Ebene erstreckt.
[0006] Wie in der US 9,090,993 B2 und der US 2016/0190387 Al ausgeführt wird, haben die beiden Schichten des Schichtenpaares, aus welchem das super lattice der Bufferschicht aufgebaut ist, unterschiedliche Gitterkonstanten. So weit es sich um dünne Schichten handelt, scheiden sich die Schichten in zu sammenhängender Kristallstruktur ab, wie es in den Figuren 2A bis 2C der US 9,090,993 B2 anschaulich dargestellt ist. Da die erste Schicht, die AIN-Schicht, in einem unverspannten Zustand eine kleinere Gitterkonstante aufweist, als die zweite Schicht, die AlGaN-Schicht, entstehen diesseits und jenseits der Grenz schicht zwischen den beiden Schichten Spannungen in unterschiedlichen Rich tungen. Im Bereich der ersten Schicht baut sich eine Zugspannung und im Be reich der zweiten Schicht eine dieser entgegengesetzte Druckspannung auf.
Dies hat zur Folge, dass die Schichtenfolge zum Durchbiegen tendiert. Darüber hinaus übt die unmittelbar auf das Substrat, beispielsweise auf ein Siliziumsub strat, abgeschiedene Nukleationsschicht (AIN-Schicht) eine Zugspannung auf das Substrat aus. Diese Spannungen müssen so ausbalanciert werden, dass sie sich bei Raumtemperatur derart ausmitteln, dass das Substrat ungewölbt, also in einer Ebene, verläuft. [0007] Beim oben genannten Stand der Technik werden auf die Nukleations schicht eine Vielzahl von abwechselnd eine Zugspannung und eine
Druckspannung auf das Substrat ausübende Schichten abgeschieden, wobei die Schichtdicke und die Schichtzusammensetzung nach Möglichkeit derart zu de- signen ist, dass sich die Spannungen in der gesamten Struktur ausgleichen, ins- besondere auch die sich aus der Differenz der thermischen Ausdehnungskoef fizienten ergebenden. [0008] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die eine laterale Druckspannung auf das Substrat ausübende zweite Schicht (AlGaN-Schicht) mit zunehmendem Abstand von der darunterliegenden Schicht relaxiert. Die zweite Schicht besitzt eine Gitterkonstante, die größer ist, als die Gitterkonstan te der darunterliegenden Schicht, so dass die unmittelbar auf die erste Schicht abgeschiedenen Monolagen der zweiten Schicht unter Druckspannung stehen. Diese Druckspannung führt dazu, dass sich mit zunehmendem Abstand zur Grenzschicht zur ersten Schicht Gitterfehlstellen ausbilden, die eine lokale Ver größerung der Gitterkonstante zur Folge haben. Mit zunehmendem Abstand der Lagen der Schicht vergrößert sich somit die lokale Gitterkonstante, was zur Folge hat, dass sich die laterale Spannung innerhalb des Kristalls vermindert. Als Folge dessen sinkt die Druckspannung, die ansonsten die Zugspannung der darunterliegenden Schicht kompensiert. Die beobachtete rissfreie Relaxation der zweiten Schicht bewirkt in der auf die zweite Schicht abgeschiedenen ersten Schicht eines weiteren Schichtenpaares eine vergrößerte Zugspannung, da die Gitterkonstante der zweiten Schicht viel kleiner ist als die Gitterkonstante der relaxierten ersten Schicht. Da die erste Schicht erheblich dünner ist als die zwei te Schicht, weist sie trotz einer inneren Verspannung nur eine geringe Relaxati on und somit eine geringere Anzahl von Gitterdefekten auf. Insgesamt wurde beobachtet, dass sich die lokale Gitterkonstante beginnend mit der Nukleati- ons Schicht durch die Vielzahl der Schichten der Schichtenfolge hindurch zu nehmend vergrößert, was zur Folge hat, dass die von den zweiten Schichten aufgebauten Druckspannungen mit zunehmendem Abstand von der Nukleati- onsschicht kleiner und die von den ersten Schichten ausgeübten Zugspannun gen mit zunehmendem Abstand von der Nukleationsschicht größer werden. Dies hat zur Folge, dass die gewünschte Kompensation von Wölbungskräften nur unzureichend oder sogar überhaupt nicht stattfindet.
Ein Verfahren der gattungsgemäßen Art wird in der DE 11 2014 003 533 T5 be schrieben. Auf ein Siliziumsubstrat wird zunächst eine Pufferschicht aus A1N mit einer Dicke von 150 nm abgeschieden. Auf diese AIN-Schicht werden dann Schichtenpaare jeweils aus A1N und AlGaN abgeschieden. Die AIN-Schicht soll 5 nm und die AlGaN-Schicht 16 nm dick sein. 75 derartige Paare werden über einander abgeschieden. Danach wird eine 70 nm dicke Zwischenschicht aus A1N abgeschieden. Die AlGaN-Schicht ist hier nur etwa dreimal so dick wie die AIN-Schicht.
Zusammenfassung der Erfindung
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit denen sich eine aus einer großen Zahl von Schichten, insbesondere Schich tenpaaren bestehende Bufferschicht spannungsfrei aufbauen lässt und insbe sondere es ermöglicht, dass der Aluminiumanteil der Bufferschicht möglichst hoch ist.
[0010] Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Er findung, wobei die Unteransprüche nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens beziehungsweise der Hetero Struktur sind, sondern auch eigenstän dige Lösungen der Aufgabe darstellen.
[0011] Zunächst und im Wesentlichen wird vorgeschlagen, dass die zweite Schicht, die eine AlGaN-Schicht sein kann, mindestens sechsmal so dick ist wie die erste Schicht, die eine AIN-Schicht sein kann. Als Folge dieser Bemessungs regel bildet sich eine stärker verspannte erste Schicht, insbesondere AIN- Schicht, aus, da die zweite Schicht aufgrund ihrer größeren Schichtdicke stärker relaxiert. Der Abstand zwischen zwei Zwischenschichten, also die Summe der Schichtdicken der zwischen zwei Zwischenschichten bzw. der Nukleations- schicht und einer ersten Zwischenschicht angeordneten Schichtenpaare, jeweils bestehend aus einer ersten und einer zweiten Schicht, liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 150 nm und 1 gm. Das bevorzugte Verfahren zum Abschei den der erfindungsgemäßen Heterostruktur ist ein MOCVD-Verfahren, bei dem gasförmige Ausgangsstoffe, die Aluminium, Gallium und Stickstoff enthalten, in eine Prozesskammer eines CVD-Reaktors eingespeist werden. Das Abschei den der auf der ersten Schicht und der zweiten Schicht bestehenden Schichten folge erfolgt bevorzugt mit einem konstanten Fluss eines Aluminium enthal tenden Prozessgases und eines Stickstoff enthaltenden Prozessgases. Beim Ab scheiden dieser Schichtenfolge wird lediglich der Zufluss des Gallium enthal tenden Gases periodisch zu- bzw. abgeschaltet. Erfindungsgemäß wird insbe sondere vorgeschlagen,, dass zwischen einer ersten Anzahl von Schichtenpaa ren eine Zwischenschicht abgeschieden wird. Jedes Schichtenpaar besteht aus einer Schicht, die in einem unverspannten Kristall eine kleine, erste Gleichge wichtsgitterkonstante aufweist und einer zweiten Schicht, die in einem unver spannten Kristall eine zweite, größere Gleichgewichtsgitterkonstante aufweist. Aufgrund der epitaktischen Korrelation zur Nukleations Schicht beziehungs weise den zuvor abgeschiedenen Schichten ist die erste Schicht zugverspannt und die zweite druckverspannt. Die gegenseitige Verspannung hat zur Folge, dass der tatsächliche Gitterabstand in den beiden Schichten von den jeweiligen Gleichgewichtsgitterkonstanten abweicht. Sie wird nachfolgend als lokale Git terkonstante bezeichnet. Die Vielzahl der sandwichartig übereinander aufge- bauten Schichtenpaare haben somit abwechselnd eine Druckspannung und eine Zugspannung aufweisende Schichten, wobei - wie oben ausgeführt - die Zug spannungen mit zunehmendem Abstand von der Nukleations Schicht ansteigen und die Druckspannungen als Folge einer Relaxation der zweiten Schicht ab nehmen. Erfindungsgemäß wird spätestens dann, wenn die zweite Schicht na hezu vollständig relaxiert ist, also insbesondere bevorzugt nach dem Abschei den von mindestens fünf gleichen Schichtenpaaren, bevorzugt nach mindestens acht gleichen Schichtenpaaren, eine Zwischenschicht abgeschieden. Die Zwi schenschicht besteht aus einem Kristall, der im unverspannten Zustand eine kleine Gleichgewichtsgitterkonstante aufweist und insbesondere die der ersten Schicht. Die Zwischenschicht kann mit der ersten Schicht materialidentisch sein. Die Zwischenschicht wird auf das Schichtenpaar-System mit einer derarti- gen Schichtdicke abgeschieden, dass die im Interface eine starke Zugspannung ausübende Zwischenschicht mit zunehmendem Abstand von der darunterlie genden Schicht relaxiert. Die Relaxation erfolgt auch hier unter Ausbildung von Fehlstellen, aber rissfrei, wobei - anders als bei der Relaxation der zweiten Schicht - sich die lokale Gitterkonstante aber nicht vergrößert, sondern ab nimmt. Dies hat zur Folge, dass die von der Zwischenschicht aufgebaute Zug spannung innerhalb der Zwischenschicht mit zunehmendem Abstand von der darunter liegenden Schicht abnimmt. Nach dem Abscheiden der Zwischen schicht liegt bevorzugt eine Kristallschicht vor, die bevorzugt dieselbe lokale Gitterkonstante aufweist, wie die Oberfläche der Nukleationsschicht vor dem Abscheiden der ersten Schicht. Auf die Zwischenschicht wird sodann zumin dest eine weitere Schichtenfolge abgeschieden, die im Wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweist, wie die zuvor beschriebene, unmittelbar auf die Nukle ationsschicht abgeschiedene Schichtenfolge. Es können auch hier mindestens fünf, bevorzugt mindestens acht gleich gestaltete Schichtenpaare abgeschieden werden. Auf diese weitere Schichtenfolge können dann die aktiven Schichten abgeschieden werden. Die mindestens eine aktive Schicht kann eine dotierte oder undotierte GaN-Schicht aufweisen. Alternativ können vor der Abschei dung der aktiven Schichten eine Vielzahl von jeweils von einer Zwischenschicht getrennten Schichtenfolgen übereinander abgeschieden werden, wobei die Schichtenfolgen aus identischen, unmittelbar aufeinander abgeschiedenen Schichtenpaaren bestehen, die aus genau zwei Schichten bestehen. Die erste Schicht besteht bevorzugt aus A1N, die zweite Schicht bevorzugt aus AlGaN, wobei der Aluminiumnitridbestandteil mindestens 25, bevorzugt mindestens 27 Prozent beträgt. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt die Schichtdicke der ersten Schicht im Bereich zwischen 2 und 10 nm und bevor zugt im Bereich zwischen 3 und 5 nm. Die Schichtdicke der zweiten Schicht ist um mindestens einen Faktor 5 größer als die Schichtdicke der ersten Schicht. Ihre Schichtdicke kann im Bereich zwischen 20 und 40 nm liegen. Die Schicht dicke der Zwischenschicht ist um einen Faktor 5, bevorzugt einen Faktor 8 und besonders bevorzugt einen Faktor 10 größer als die Schichtdicke der ersten Schicht. Sie ist bevorzugt auch größer als die Schichtdicke der zweiten Schicht. Sie kann im Bereich zwischen 30 und 50 nm liegen und liegt bevorzugt bei etwa 40 nm. Die Zwischenschicht besteht bevorzugt aus A1N. Die gesamte aus glei chen Paaren bestehende Schichtenfolge kann eine Schichtdicke im Bereich zwi schen 150 nm und 1 gm aufweisen. Sie kann aber auch eine Schichtdicke von 2 bis 3 gm aufweisen. Auf bevorzugt acht Schichtenfolgen, die jeweils von einer Zwischenschicht voneinander getrennt sind und die jeweils bevorzugt acht Schichtenpaare aufweisen, kann eine HEMT-Struktur abgeschieden werden, die aus einer undotierten GaN-, einer A1N- sowie einer AlGaN-Schicht besteht. Ein mit einer erfindungsgemäßen Heterostruktur hergestelltes Bauelement weist zusätzlich elektrische Kontakte auf. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Anzahl der zwischen zwei Zwischenschichten angeordne ten Schichtenpaare nicht jeweils gleich ist, sondern mit zunehmendem Abstand vom Substrat ansteigt. Der Anstieg der Anzahl der Zwischenschichten kann linear sein. Der Anstieg der Zwischenschichten kann aber auch sublinear oder superlinear und insbesondere exponentiell erfolgen. Ein diesbezüglicher Faktor kann zwischen 1,1 und 2 und bevorzugt bei 1,5 liegen, so dass beispielsweise zwischen Nukleationsschicht und erster Zwischenschicht acht Schichtenpaare, zwischen erster Zwischenschicht und zweiter Zwischenschicht zwölf Schich tenpaare und zwischen zweiter Zwischenschicht und dritter Zwischenschicht achtzehn Schichtenpaare angeordnet sind. Eine derartige sukzessive Erhöhung der Anzahl der Schichtenpaare verbessert die Qualität der Oberfläche der obersten Schicht.
[0012] Epitaktische Verfahren zum Herstellen der zuvor genannten Schriften werden beschrieben in den DE 102 06 750 Al, DE 10 2014 109335 Al, der US 9,090,993 B2 und der US 2016/ 0190387 Al. Das Abscheiden erfolgt in einem MOCVD-Reaktor, wobei als Ausgangsstoffe TMA1, TMGa und NH3 verwendet werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0013] Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schichtenfolge, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abgeschieden ist,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Schichtenfolge
Fig. 3 eine Erläuterung der technischen Wirkung des erfindungsge mäßen Schichtaufbaus und
Fig. 4 schematisch ein elektronisches Bauelement.
Beschreibung der Ausführungsformen
[0014] Die Figur 1 zeigt eine in einem MOCVD-Reaktor abgeschiedene Schich- tenfolge auf einem p-Si (1 1 1)-Substrat mit einer Substratstärke von 725 gm. Auf das Substrat ist zunächst eine 150 nm dicke AIN-Nukleationsschicht N ab geschieden worden. Auf diese Nukleationsschicht N ist eine Schichtenfolge in Form von acht Schichtenpaaren abgeschieden worden, die aus einer ersten Schicht A und einer zweiten Schicht B bestehen, wobei die erste Schicht A eine 4 nm dicke A1N und die zweite Schicht B eine 30 nm dicke AlGaN 27 Schicht ist. Auf diese erste Schichtenfolge wurde sodann eine Zwischenschicht C aus 40 nm A1N abgeschieden. Dieses Schichtensystem aus acht gleich gestalteten Schichtenpaaren und einer darauf abgeschiedenen Zwischenschicht C wurde achtmal übereinander abgeschieden. Komplementiert wird diese Bufferschicht durch eine weitere Schichtenfolge AB, einer 300 nm GaN-Schicht D und einer 700 nm GaN:C-Schicht E. Zur Herstellung einer HEMT-Struktur werden im Anschluss eine 300 nm dicke GaN-Schicht F, eine A1N-Z wischenschicht sowie eine 25nm AlGaN-Barriere abgeschieden. Die Schichten A, B, C sind hinsicht lich ihrer Schichtdicken derart gewählt, dass sie bei Raumtemperatur in der Summe keine laterale Spannung auf das Substrat ausüben, so dass sich das Substrat in einer Ebene erstreckt.
[0015] Die Figur 2 zeigt etwas allgemeiner den erfindungsgemäßen Schicht aufbau, bei dem zunächst eine Nukleations Schicht N auf ein Substrat abge schieden wird. Auf die Nukleationsschicht N werden dann in n-facher Folge jeweils ein Schichtenpaar abgeschieden, wobei das Schichtenpaar aus einer ers ten Schicht A mit einer ersten Gleichgewichtsgitterkonstanten und einer zwei ten Schicht B mit einer zweiten, anderen Gitterkonstanten besteht. Auf diese n- fache Schichtenfolge wird eine Zwischenschicht C abgeschieden, die eine ande re Gleichgewichtsgitterkonstante aufweist als die zweite Schicht B. Dieses, aus der Zwischenschicht C und den n-Schichtenpaaren bestehende Schichtensystem wird mehrfach übereinander abgeschieden. In der Figur 2 sind zwei Folge schichtensysteme abgeschieden, auf welche dann wiederum ein System aus aktiven Schichten D, E, F abgeschieden worden ist. Die Gleichgewichtsgitter konstante der Zwischenschicht C kann der ersten Gleichgewichtsgitterkonstan te entsprechen. Da die zweite Schicht B dicker ist als die erste Schicht A, nähert sich ihre lokale Gitterkonstante mit zunehmendem Abstand von der darunter liegenden Schicht der Gleichgewichtsgitterkonstante an. Die lokale Gitterkon stante der ersten Schicht A ändert sich nur geringfügig. Die Zwischenschicht C, die mit einer lokalen Gitterkonstanten der darunter liegenden zweiten Schicht B auf die zweite Schicht B abgeschieden ist, ändert ihre lokale Gitterkonstante mit zunehmendem Abstand von der darunterliegenden Schicht in Richtung auf die Gleichgewichtsgitterkonstante der Zwischenschicht C.
[0016] Die Figur 3 verdeutlicht unter III den in den Figuren 1 und 2 dargestell ten Schichtaufbau. Zur Vereinfachung sind hier nur fünf Schichtenpaare jeweils aus einer ersten Schicht A und einer zweiten Schicht B auf einer Nukleations- schicht N abgeschieden. Auf eine Zwischenschicht C sind wiederum mehrere erste und zweite Schichten A, B jeweils in Form von Schichtenpaaren abge schieden. Die schräg nach oben weisenden Linien verdeutlichen die Abnahme von Zugspannungen beziehungsweise Druckspannungen in den Schichten. Die Zugspannungen sind durch zwei aufeinander zu weisende Pfeile und die Druckspannungen durch zwei voneinander weg weisende Pfeile verdeutlicht.
[0017] II verdeutlicht den Verlauf der lokalen Gitterkonstante g.
[0018] I verdeutlicht die Größe der Zugspannung S (links -) beziehungsweise die Druckspannungen (rechts +) ähnlich wie in III die nach oben weisenden Linien.
[0019] Die auf das Substrat abgeschiedene Nukleationsschicht N besitzt in ei nem entspannten Kristall eine erste Gleichgewichtsgitterkonstante, die derjeni gen von A1N entspricht. Diese ist verschieden zu der Gleichgewichts gitterkon- stanten des Substrates S, so dass die Nukleationsschicht N eine Zugspannung auf das Substrat ausübt, die als Folge der Relaxation der Nukleationsschicht N mit zunehmendem Abstand vom Substrat abnimmt.
[0020] Auf die Nukleationsschicht N ist eine erste Schicht A abgeschieden, die beim Ausführungsbeispiel ebenfalls aus A1N besteht und die eine Zugspan- nung ausübt.
[0021] Die zweite Schicht B ist eine AlGaN-Schicht, die eine zweite Gleichge wichtsgitterkonstante aufweist, die größer ist als die erste Gleichgewichtsgitter konstante. Als Folge dessen übt die zweite Schicht B eine Druckspannung auf das Substrat S aus. [0022] II ist zu entnehmen, dass sich die lokale Gitterkonstante in der zweiten Schicht B mit zunehmendem Abstand vom Substrat vergrößert. Diese Relaxati on hat zur Folge, dass die in I gezeigte Zugspannung mit zunehmendem Ab stand von der ersten Schicht A abnimmt. [0023] III und II zeigen, dass sich die lokale Gitterkonstante durch die mehre ren übereinander abgeschiedenen Schichtenpaare zunehmend vergrößert, was zur Folge hat, dass die von den Schichten A aufgebrachten Zugspannungen mit zunehmendem Abstand vom Substrat größer werden, die von den Schichten B ausgeübten Druckkräfte aber mit zunehmendem Abstand geringer werden. Um die Verspannungen der übrigen Schichten insbesondere aber auch die Zugver spannungen aufgrund verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Substrat und abgeschiedener Schichten ausgleichen zu können, werden die druckverspannten Schichten B erheblich dicker ausgelegt als die zugverspann ten Schichten A und so kompensierende Druckverspannungen eingebracht. [0024] Bevor der Kristall der zweiten Schicht B vollständig relaxiert ist, also an der oberen Grenzfläche eine lokale Gitterkonstante aufweist, die der Gleichge wichtsgitterkonstante entspricht, wird auf die Schichtenfolge eine Zwischen schicht C aus A1N oder AlGaN abgeschieden. Das Material der Zwischen schicht C hat eine Gleichgewichtsgitterkonstante, die erheblich kleiner ist, als die lokale Gitterkonstante der obersten zweiten Schicht B an der Grenzfläche zur Zwischenschicht C. Als Folge dessen baut sich im Bereich der Grenzfläche eine Zugspannung auf, die aufgrund einer Relaxation mit zunehmendem Ab stand vom Substrat S abnimmt. Die damit einhergehende Verminderung der lokalen Gitterkonstante zeigt II. [0025] Die Figur 3 zeigt, dass unmittelbar auf die Nukleationsschicht N eine erste Schicht A folgt. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass auf die Nukleati- onsschicht N unmittelbar die zweite Schicht B folgt, wenn die erste Schicht A materialidentisch mit der Nukleationsschicht N ist.
[0026] In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Anzahl der Schichtenpaare, die sich zwischen Nukleationsschicht und erster Zwischenschicht C oder zwischen den darauf folgenden Zwischenschichten C befinden, sukzessive ansteigt, beispielsweise mit einem Faktor 1,2 oder 1,5.
[0027] Im Idealfall besitzt die Grenzfläche der Zwischenschicht C zur nächs ten, darauf abgeschiedenen ersten Schicht A einer weiteren Schichtenfolge etwa den Wert, den die lokale Gitterkonstante der Nukleationsschicht N an der Grenzschicht zur ersten Schicht A besitzt. Es können somit quasi beliebig viele Schichtenfolgen, jeweils bestehend aus mehreren Schichtenpaaren und einer Zwischenschicht C abgeschieden werden, um eine möglichst Aluminium-reiche Bufferschicht für eine HEMT-Struktur auszubilden.
[0028] Die Erfindung hat darüber hinaus folgende Vorteile: Durch die Mög lichkeit, dass strain engineering auch bei hohen Temperaturen eingesetzt wer den kann, ist es möglich, den intrinsischen Kohlenstoff-Level im super lattice zu reduzieren und den Kohlenstoffeinbau durch einen Dotierstoff, beispielsweise Ethen, Propan gezielt einzustellen, wodurch sowohl die Durchbruchspannung, als auch das dynamische Verhalten des Buffers verbessert werden kann. In dem Schichtensystem baut sich eine relativ große Druckverspannung auf. Durch die Dicke und die Lage der insbesondere aus A1N bestehenden Zwischenschicht C in der Bufferschicht lässt sich die Verspannung sehr gezielt einstellen und da mit auch die Verbiegung des Substrates während und nach einem Abschei deprozess der Schichten. Dieser„interlayer- Ansatz" ermöglicht es, einen super lattice-Buffer bei Temperaturen unter 1.000°C, beispielsweise 940°C, aber auch über 1.000°C, zum Beispiel bei 1.050°C abzuscheiden. Die Wachstumstempera- tur der Zwischenschicht C entspricht dabei der Wachstumstemperatur des su per lattice-Buffers. Bei den angegebenen Prozessparametern lässt sich eine crack-freie relaxierte Zwischenschicht C abscheiden.
[0029] Die Figur 4 zeigt schematisch ein HEMT mit zwei elektrischen Kontak- ten K auf der aktiven Schichtenfolge D, E, F.
[0030] Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zu mindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenstän dig weiterbilden, wobei zwei, mehrere oder alle dieser Merkmalskombinatio- nen auch kombiniert sein können, nämlich:
[0031] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass nach zumindest fünf Schichtenpaaren eine der zweiten Schicht B entgegenverspannte Zwi schenschicht C abgeschieden wird, die mindestens fünfmal so dick wie die erste Schicht A ist und deren Verspannung mit zunehmender Schichtdicke als Folge einer Relaxation abnimmt.
[0032] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die kristalline Ver bindung der ersten Schicht A in einem unverspannten Kristall eine erste Gleichgewichtsgitterkonstante aufweist, die kleiner ist, als eine zweite Gleich gewichtsgitterkonstante, die die die kristalline Verbindung der zweiten Schicht B in einem unverspannten Kristall aufweist, so dass die erste Schicht A eine la terale Zugspannung ausübt und die zweite Schicht eine laterale Druckspan nung ausübt.
[0033] Eine Hetero Struktur, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein oder mehrfach auf jeweils mindestens fünf gleichartige, insbesondere gleiche Schich- tenpaare eine Zwischenschicht C folgt, die in einem unverspannten Kristall eine andere, insbesondere kleinere Gleichgewichtsgitterkonstante als die zweite Gleichgewichtsgitterkonstante aufweist und deren Schichtdicke mindestens dem Fünffachen der ersten Schichtdicke beträgt. [0034] Ein Verfahren oder eine Hetero Struktur, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sich eine lokale Gitterkonstante der zweiten Schicht B unter Ausbil dung von Gitterdefekten mit zunehmendem Abstand von der darunterliegen den ersten Schicht A hin zur zweiten Gleichgewichtsgitterkonstante ändert und die Schichtdicke der Zwischenschicht C derart groß ist, dass sich eine lokale Gitterkonstante der Zwischenschicht C unter Ausbildung von Gitterdefekten mit zunehmendem Abstand von der darunter liegenden Schicht hin zur ersten Gleichgewichtsgitterkonstante ändert.
[0035] Ein Verfahren oder eine Heterostruktur, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Substrat S aus Silizium, die Nukleationsschicht aus A1N, die erste Schicht A aus A1N, die zweite Schicht B aus AlGaN und die Zwischenschicht C aus A1N besteht.
[0036] Ein Verfahren oder eine Hetero Struktur, die dadurch gekennzeichnet sind, dass auf der Bufferschicht mindestens eine aktive Schicht oder Schichten folge D, E, F abgeschieden wird/ ist, die insbesondere eine dotierte oder undo- tierte GaN-Schicht, AlGaN-Schicht und/ oder AIN-Schicht umfasst.
[0037] Ein Verfahren oder eine Hetero Struktur, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der Abstand zweier Zwischenschichten C 250nm bis 1 gm beträgt. [0038] Ein Verfahren oder eine Hetero Struktur, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Zwischenschicht C mindestens achtmal so dick ist wie die erste Schicht A.
[0039] Ein Verfahren oder eine Hetero Struktur, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die zweite Schicht B mindestens sechsmal so dick ist wie die erste Schicht A.
[0040] Ein Verfahren oder eine Hetero Struktur, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Heterostruktur die Basisstruktur für einen HEMT-Transistor ist.
[0041] Ein Verfahren oder eine Hetero Struktur, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der Aluminiumnitridanteil der AlGaN-Schicht mindestens 25 Pro zent, bevorzugt mindestens 27 Prozent beträgt.
[0042] Ein Verfahren oder eine Hetero Struktur, die dadurch gekennzeichnet sind, dass die Anzahl der insbesondere gleichen Schichtenpaare A, B zwischen Nukleationsschicht N und erster Zwischenschicht C und zwischen weiteren Zwischenschichten mit zunehmendem Abstand vom Substrat S zunimmt, wo bei die Zunahme bevorzugt gemäß einem festen Faktor erfolgt.
[0043] Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die erste Schicht A unter Verwendung von TMA1, NH3 bei einem Totaldruck in einem Bereich von 25 bis 100 mbar, insbesondere bei 50 mbar und/ oder bei einer Temperatur in einem Bereich von 900 bis 1.000 C, insbesondere bei 1.050 C und/ oder mit einer Wachstumsrate in einem Bereich von 2 bis 12 nm/min, insbesondere mit 8 nm/min abgeschieden wird; und/ oder, dass die zweite Schicht B unter Ver wendung von TMA1, TMGa, NH3 bei einem Totaldruck in einem Bereich von 25 bis 100 mbar, insbesondere bei 50 mbar und/ oder bei einer Temperatur in ei- nem Bereich von 900 bis 1.100 C, insbesondere bei 1.050 C und/ oder mit einer Wachstumsrate in einem Bereich von 10 bis 40 nm /min, insbesondere mit 28 nm/min abgeschieden wird; und/ oder, dass die Zwischenschicht C unter Ver wendung von TMA1, TMGa, NH3 bei einem Totaldruck in einem Bereich von 25 bis 100 mbar, insbesondere bei 500 mbar und/ oder bei einer Temperatur in ei nem Bereich von 900 bis 1.100 C, insbesondere bei 1.050 C und/ oder mit einer Wachstumsrate in einem Bereich von 2 bis 12 nm/min, insbesondere mit 8 nm/min abgeschieden wird.
[0044] Ein Bauelement, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Heterostruk tur gemäß einem der Ansprüche 3 bis 10 ausgebildet ist.
[0045] Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/ beigefügten Prioritäts unterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender An meldung mit aufzunehmen. Die Unter ansprüche charakterisieren, auch ohne die Merkmale eines in Bezug genommenen Anspruchs, mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbe sondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen. Die in jedem Anspruch angegebene Erfindung kann zusätzlich ein oder mehrere der in der vorstehenden Beschreibung, insbesondere mit Bezugsziffern versehene und/ oder in der Bezugsziffernliste angegebene Merkmale aufweisen. Die Er findung betrifft auch Gestaltungsformen, bei denen einzelne der in der vorste henden Beschreibung genannten Merkmale nicht verwirklicht sind, insbeson dere soweit sie erkennbar für den jeweiligen Verwendungszweck entbehrlich sind oder durch andere technisch gleichwirkende Mittel ersetzt werden kön nen. Liste der Bezugszeichen
A erste Schicht
B zweite Schicht
C Zwischenschicht D aktive Schicht
E aktive Schicht
F aktive Schicht
H aktive Schicht
K Kontakt
N Nukleations Schicht
S Substrat
g lokale Gitterkonstante

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Abscheiden einer Heterostruktur aus insbesondere einkris tallinen Schichten, wobei auf eine auf einem Substrat (S) aufgebrachte Nukleationsschicht (N) als Bufferschicht eine Vielzahl von aus einer ersten Schicht (A) und einer dickeren zweiten Schicht (B) bestehende, aufgrund unterschiedlicher Gitterkonstanten der ersten und zweiten Schichten (A,
B) lateral zug- und druckverspannte Schichtenpaare derart abgeschieden werden, dass die Verspannung der zweiten Schicht (B) mit zunehmender Anzahl der Schichtenpaare als Folge einer RelaxaÜon abnimmt, wobei nach zumindest fünf Schichtenpaaren eine der zweiten Schicht (B) entge- genverspannte Zwischenschicht (C) abgeschieden wird, die mindestens fünfmal so dick wie die erste Schicht (A) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (B) mindestens sechsmal so dick ist wie die erste Schicht (A).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kri talline Verbindung der ersten Schicht (A) in einem unverspannten Kristall eine erste Gleichgewichtsgitterkonstante aufweist, die kleiner ist, als eine zwei te Gleichgewichts gitter konstante, die die kristalline Verbindung der zwei ten Schicht (B) in einem unverspannten Kristall aufweist, so dass die erste Schicht (A) eine laterale Zugspannung ausübt und die zweite Schicht eine laterale Druckspannung ausübt
3. Heterostruktur aus einkristallinen Schichten mit voneinander verschiede nen Gitterkonstanten, wobei auf einem Substrat (S) eine Nukleations- schicht (N), und auf der Nukleations Schicht (N) eine aus einer kohärenten Schichtenfolge bestehende Bufferschicht abgeschieden sind, wobei die Schichtenfolge eine Vielzahl von Schichtenpaare jeweils bestehend aus ei ner ersten Schicht (A), mit einer kristallinen Verbindung, die in einem un- verspannten Kristall eine erste Gleichgewichtsgitterkonstante aufweist, und einer zweiten Schicht (B), die insbesondere dicker ist als die erste Schicht (A) und deren kristalline Verbindung in einem unverspannten Kristall eine zweite Gleichgewichtsgitterkonstante aufweist, die verschie den, insbesondere größer ist als die erste Gleichgewichtsgitterkonstante, wobei ein oder mehrfach auf jeweils mindestens fünf gleichartige, insbe sondere gleiche Schichtenpaare eine Zwischen-schicht (C) folgt, die in ei nem unverspannten Kristall eine andere, insbesondere kleinere Gleichge wichtsgitterkonstante als die zweite Gleichgewichtsgitterkonstante auf weist und deren Schichtdicke mindestens dem Fünffachen der ersten Schichtdicke beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (B) mindestens sechsmal so dick ist wie die erste Schicht (A).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder Hetero Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Schichtenpaare (A, B) zwi schen Nukleationsschicht (N) und zweiter Zwischenschicht (C) und zwi schen weiteren Zwischenschichten mit zunehmendem Abstand vom Sub strat zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder Heterostruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunahme mit einem festen oder variab len Faktor erfolgt und/ oder dass die Zunahme mit einem schrittweise sich erhöhenden Faktor erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5 oder Heterostruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ab scheidung derart durchgeführt wird, dass die Verspannung der ersten Schicht (A) mit zunehmender Schichtdicke als Folge einer Relaxation ab nimmt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass die Abscheidung der ersten und zweiten Schichten (A, B) mit einem kontinuierlichen Zufluss eines gasförmigen, Aluminium enthal tenden Ausgangsstoff und einem periodischen Zu- und Abschalten eines Gallium enthaltenden gasförmigen Ausgangsstoffs in eine Prozesskammer eines CVD-Reaktors erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 7 oder Heterostruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine lokale Gitterkonstante der zweiten Schicht (B) unter Ausbildung von Git terdefekten mit zunehmendem Abstand von der darunterliegenden ersten Schicht (A) hin zur zweiten Gleichgewichtsgitterkonstante ändert und die Schichtdicke der Zwischenschicht (C) derart groß ist, dass sich eine lokale Gitterkonstante der Zwischenschicht (C) unter Ausbildung von Gitterde fekten mit zunehmendem Abstand von der darunter liegenden Schicht hin zur ersten Gleichgewichtsgitterkonstante ändert.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 8 oder Heterostruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (S) aus Silizium, die Nukleationsschicht aus A1N, die erste Schicht (A) aus A1N, die zweite Schicht (B) aus AlGaN und die Zwischen schicht (C) aus A1N besteht.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 9 oder Heterostruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 6 oder 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Bufferschicht mindestens eine akti ve Schicht oder Schichtenfolge (D, E, F) abgeschieden wird/ ist, die insbe sondere eine dotierte oder undotierte GaN-Schicht, AlGaN-Schicht und/ oder AIN-Schicht umfasst.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2 oder 4 bis 10 oder Heterostruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 6 oder 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zweiter Zwischenschichten (C) 150 nm bis 1 gm oder 2 gm bis 3 gm beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 bis 11 oder Heterostruk tur nach einem der Ansprüche 3 bis 6 oder 8 bis 11, dadurch gekennzeich net, dass die Zwischenschicht (C) mindestens achtmal so dick ist wie erste Schicht (A).
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 bis 13 oder Heterostruk tur nach einem der Ansprüche 3 bis 6 oder 8 bis 12, dadurch gekennzeich net, dass der Aluminiumnitridanteil der AlGaN-Schicht mindestens 25 Prozent, bevorzugt mindestens 27 Prozent beträgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 bis 14 oder Heterostruk tur nach einem der Ansprüche 3 bis 6 oder 8 bis 13, dadurch gekennzeich net, dass die erste Schicht (A), die zweite Schicht (B) und/ oder die Zwi schenschicht (C) eine ternäre oder quaternäre Schicht ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass die erste Schicht (A) unter Verwendung von TM Al, NH3 bei einem Totaldruck in einem Bereich von 25 bis 100 mbar, insbesondere bei 50 mbar und/ oder bei einer Temperatur in einem Bereich von 900 bis 1.100 C, insbesondere bei 1.050 C und/ oder mit einer Wachstumsrate in einem Bereich von 2 bis 12 nm/ min, insbesondere mit 8 nm/min abge schieden wird;
und/ oder, dass die zweite Schicht (B) unter Verwendung von TM Al, TMGa, NH3 bei einem Totaldruck in einem Bereich von 25 bis 100 mbar, insbesondere bei 50 mbar und/ oder bei einer Temperatur in einem Bereich von 900 bis 1.100 C, insbesondere bei 1.050 C und/ oder mit einer Wachstumsrate in einem Bereich von 10 bis 40 nm/ min, insbesondere mit 28 nm/min abge schieden wird;
und/ oder,
dass die Zwischenschicht (C) unter Verwendung von TM Al, TMGa, NH3 bei einem Totaldruck in einem Bereich von 25 bis 100 mbar, insbesondere bei 50 mbar und/ oder bei einer Temperatur in einem Bereich von 900 bis
1.100 C, insbesondere bei 1.050 C und/ oder mit einer Wachstumsrate in einem Bereich von 2 bis 12 nm/ min, insbesondere mit 8 nm/min abge schieden wird.
16. Elektronisches Bauelement, insbesondere HEMT, bei dem ein Substrat eine Nukleationsschicht (N), eine aus einer Schichtenfolge bestehende Buf ferschicht und eine auf der Bufferschicht abgeschiedene aktive
Schichtstruktur mit zumindest einer aktiven Schicht (D, E, F) aufweist, wobei die zumindest eine aktive Schicht oder Schichtenfolge (D, E, F) elektrische Kontakte aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hete- rostruktur gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6 oder 8 bis 15 ausgebildet ist.
17. Verfahren oder Heterostiuktur oder Bauelement, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorherge henden Ansprüche.
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