DE10006108A1 - Process for the epitaxial growth of single crystalline aluminum nitride layers on silicon substrates comprises preparing substrate to form terrace layer, vaporizing an aluminum layer - Google Patents
Process for the epitaxial growth of single crystalline aluminum nitride layers on silicon substrates comprises preparing substrate to form terrace layer, vaporizing an aluminum layerInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Epitaxie einkristalliner Aluminiumnitrid- Schichten auf Substraten aus Silizium mit einer (001)-Oberfläche.The invention relates to a method for the epitaxy of single-crystalline aluminum nitride Layers on silicon substrates with a (001) surface.
Einkristalline Aluminiumnitrid (AlN)-Schichten auf Si(001)-Substraten können die Grundlage für die Herstellung von Halbleiterbauelementen für die Hochleistungs- und Hochfrequenzelektronik, für optoelektronische Anwendungen wie Lichtemitter und Lichtempfänger im kurzwelligen Spektralbereich sowie für akustische Oberflächenwellenfilter bilden. Es ist bekannt, dass einkristalline AlN- Schichten hoher Kristallperfektion und glatter Oberfläche für die nachfolgende Epitaxie elektronischer und optoelektronischer Halbleiterbauelemente auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) sehr gut geeignet sind. Dünne AlN-Schichten werden deshalb allgemein als Pufferschicht für die Epitaxie von GaN- Halbleiterbauelementen eingesetzt.Single-crystalline aluminum nitride (AlN) layers on Si (001) substrates can Basis for the manufacture of semiconductor components for high performance and high frequency electronics, for optoelectronic applications such as Light emitters and light receivers in the short-wave spectral range and for Form acoustic surface wave filters. It is known that single-crystalline AlN Layers of high crystal perfection and smooth surface for the subsequent one Epitaxy of electronic and optoelectronic semiconductor components on the Based on gallium nitride (GaN) are very suitable. Thin layers of AlN are therefore generally used as a buffer layer for the epitaxy of GaN Semiconductor components used.
Ein wesentliches Problem der Halbleiterbauelemente auf der Basis von Gruppe III Nitriden besteht darin, dass bisher aus diesem Material keine genügend großen Kristalle zur Herstellung von Substraten gezüchtet werden können. Deshalb muss auch die Abscheidung von AlN auf anderen Substratmaterialien erfolgen. Dazu werden vor allem Saphir und Siliziumkarbid (US 5670798) eingesetzt. Diese Substratmaterialien sind jedoch teuer und stehen nicht mit so großem Durchmesser wie beispielsweise Si zur Verfügung. Si-Einkristallsubstrate sind dagegen sehr kostengünstig und werden gegenwärtig bereits mit Durchmessern bis zu. 30 cm zur Fertigung von Halbleiterbauelementen eingesetzt. Es ist außerdem sehr vorteilhaft, AlN auf Si-Substraten aufzuwachsen, weil damit die Möglichkeit der Integration von Bauelementen aus Gruppe III-Nitriden mit der konventionellen Si-Elektronik eröffnet wird.A major problem of semiconductor devices based on group III Nitrides consists in the fact that so far no sufficiently large ones have been made from this material Crystals for the production of substrates can be grown. Therefore must AlN is also deposited on other substrate materials. To mainly sapphire and silicon carbide (US 5670798) are used. This However, substrate materials are expensive and are not as large in diameter such as Si. Si single crystal substrates, on the other hand, are very inexpensive and are currently available with diameters up to. 30 cm to Manufacture of semiconductor devices used. It is also very beneficial Growing AlN on Si substrates because of the possibility of integration of components from group III nitrides with conventional Si electronics is opened.
Bei den bisher bekannten Versuchen zur Nutzung von Si-Substraten zur epitaktischen Abscheidung von AlN hat sich jedoch folgendes Problem ergeben: In the previously known attempts to use Si substrates for epitaxial deposition of AlN, however, the following problem has arisen:
Ein erfolgreiches Wachstum einkristalliner AlN-Schichten konnte lediglich auf Si- Substraten mit einer (111)-Oberfläche erreicht werden (DE 198 27 198), aber nicht auf den von der Halbleiterindustrie üblicherweise eingesetzten Substraten mit einer (001)-Oberfläche. Das ist insofern ein Mangel, als einerseits großflächige Si(111)- Substrate nicht ohne weiteres zur Verfügung stehen und andererseits eine Integration elektronischer oder optoelektronischer Bauelemente auf der Basis von III-Nitriden mit Standard Si-CMOS Schaltkreisen kaum möglich ist. Gerade das ist aber für den praktischen Einsatz von III-Nitrid Bauelementen sehr wichtig. Beim Wachstum von AlN auf Si(001) entstehen wegen des Gittermisfits und der unterschiedlichen kristallographischen Struktur der Einheitszelle von kubischem Si und wurtzitischem AlN bei der Keimbildung des AlN Domänen unterschiedlicher Orientierung und in der Folge eine säulenartige Schichtstruktur, die dem Einsatz dieser Schichten für elektronische oder optoelektronische Bauelemente im Wege steht.Successful growth of single-crystalline AlN layers was only possible on Si Substrates with a (111) surface can be achieved (DE 198 27 198), but not on the substrates usually used by the semiconductor industry with a (001) surface. This is a deficiency in that, on the one hand, large-area Si (111) - Substrates are not readily available and on the other hand one Integration of electronic or optoelectronic components based on III nitrides with standard Si-CMOS circuits is hardly possible. That is exactly but very important for the practical use of III-nitride components. At the Growth of AlN on Si (001) is due to the lattice misfit and the different crystallographic structure of the unit cell of cubic Si and Wurzitic AlN in the nucleation of the AlN domains different Orientation and, as a result, a columnar layer structure that allows use of these layers for electronic or optoelectronic components in the way stands.
Unabhängig von der Orientierung des Si-Substrates besteht ein wesentliches Problem darin, dass die Gitterkonstante von AlN nicht mit der von Si übereinstimmt, was eine erfolgreiche Heteroepitaxie sehr erschwert. Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen (EP 0352471, DE 197 25 900, EP 0352472, US 4925810, US 5959308, DE 187 15 572), mit vorstukturierten Substraten zur Epitaxie von III-V Halbleiterschichten auf Si-Substraten zu arbeiten. Unabhängig davon, inwieweit sich ein solches Verfahren mit Erfolg für die Epitaxie von AlN auf Si(001) Substraten einsetzen lässt, besitzt die Verwendung vorstrukturierter Substratoberflächen den Nachteil, dass nur ein Teil der gesamten Substratoberfläche für die Bauelemente aus den aufgebrachten III-V Schichten genutzt werden kann. Für die Heteroepitaxie von GaAs auf Si(100)-Substraten wurde vorgeschlagen (US 4872046, EP 0232082), die Substratoberfläche in die <001< Richtung zu kippen. Dieses Verfahren kann jedoch für die Heteroepitaxie von AlN auf Si(001) nicht angewendet werden, weil AlN im Gegensatz zu GaAs nicht als kubische Schicht wächst.There is an essential one regardless of the orientation of the Si substrate Problem in that the lattice constant of AlN does not match that of Si agrees, which makes successful heteroepitaxy very difficult. To this It has been proposed to solve the problem (EP 0352471, DE 197 25 900, EP 0352472, US 4925810, US 5959308, DE 187 15 572), with pre-structured substrates for Epitaxy of III-V semiconductor layers to work on Si substrates. Independently of the extent to which such a method is successful for the epitaxy of AlN can be used on Si (001) substrates, has the use of pre-structured Substrate surfaces have the disadvantage that only a part of the total Substrate surface for the components from the applied III-V layers can be used. For heteroepitaxy of GaAs on Si (100) substrates was proposed (US 4872046, EP 0232082), the substrate surface in the Tilt <001 <direction. However, this procedure can be used for heteroepitaxy of AlN on Si (001) cannot be applied because AlN is in contrast to GaAs does not grow as a cubic layer.
Zur Heteroepitaxie von GaN auf Si wurde auch vorgeschlagen, vor dem Aufbringen der GaN-Schicht zunächst eine GaAs-Schicht als Pufferschicht auf dem Si-Substrat aufzutragen (EP 0884767). Für die Heteroepitaxie von. AlN auf Si ist dieses Verfahren jedoch nicht geeignet, da die thermische Stabilität der GaAs- Schicht für die Epitaxie von AlN nicht ausreicht.The heteroepitaxy of GaN on Si has also been proposed before Applying the GaN layer first a GaAs layer as a buffer layer to apply the Si substrate (EP 0884767). For the heteroepitaxy of. AlN on Si However, this method is not suitable because the thermal stability of the GaAs Layer for the epitaxy of AlN is not sufficient.
Die Aufgabe, die durch die vorliegende Erfindung gelöst werden soll, besteht darin, ein Verfahren zur Epitaxie einkristalliner, domänenfreier AlN-Schichten auf Si(001)-Substraten anzugeben.The object to be achieved by the present invention is there in a method for the epitaxy of single-crystalline, domain-free AlN layers Specify Si (001) substrates.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 und 3. Dabei sind folgende Aspekte von besonderer Bedeutung:According to the invention, this object is achieved with the features of claim 1. Further configurations result from the dependent claims 2 and 3. The following aspects are of particular importance:
Als Si(001)-Substrat wird nicht ein Substrat mit einer exakten Ausrichtung der Oberflächennormale in die <001< Richtung verwendet, sonden ein Substrat, dessen (001)-Oberfläche um einige Grad in die <110< Richtung verkippt ist. Es wurde experimentell gefunden, dass die Epitaxie von AlN auf Si(001)- Oberflächen, deren Oberflächennormale parallel zur <001< Richtung liegt oder um einen kleinen Winkel von weniger als 0,5° in eine andere Richtung gekippt ist, die nicht mit der <110< Richtung übereinstimmt, zur Ausbildung von um 30° gegeneinander azimutal verdrehte AlN-Domänen fährt. Die Ursache dafür ist, dass diese beiden Domänen kristallographisch gleichberechtigt sind und deshalb gleich häufig auftreten. Die Domänengrenzen bilden eine Unterbrechung der Translationssymmetrie des AlN-Kristallgitters und wirken sich deshalb negativ auf die elektrischen und optischen Eigenschaften der Bauelemente aus, die auf der AlN-Schicht aufgewachsen werden. Es wurde experimentell gefunden, dass diese Domänenbildung der AlN-Schicht durch das oben erwähnte Kippen der Oberflächennormale in die <110< Richtung vermieden werden kann. Die Ursache dafür ist, dass durch das Kippen der Oberflächennormale nach entsprechender Oberflächenpräparation eine Terassenstruktur auf der Si(001)-Oberfläche entsteht, die das Wachstum nur einer Domäne bevorzugt, so dass die AlN-Schicht eindomänig und im strengen Sinne einkristallin wächst.The Si (001) substrate is not a substrate with an exact orientation of the Surface normal in the <001 <direction, probe a substrate, whose (001) surface is tilted a few degrees in the <110 <direction. It was found experimentally that the epitaxy of AlN on Si (001) - Surfaces whose surface normal is parallel to the <001 <direction or is tilted in a different direction by a small angle of less than 0.5 °, which does not match the <110 <direction, to form by 30 ° moves AlN domains twisted azimuthally against each other. The reason for this is that these two domains are crystallographically equal and therefore the same occur frequently. The domain boundaries form an interruption of the Translation symmetry of the AlN crystal lattice and therefore have a negative effect the electrical and optical properties of the components made on the AlN layer can be grown. It has been found experimentally that this Domain formation of the AlN layer by tilting the above-mentioned Surface normal in the <110 <direction can be avoided. The cause for this is that by tilting the surface normal to the corresponding Surface preparation creates a terrace structure on the Si (001) surface, which prefers the growth of only one domain, so that the AlN layer grows mono-crystalline in the strict sense.
Vor der eigentlichen Epitaxie der AlN-Schicht muss das Substrat gut von Oberflächenverunreinigungen gereinigt und eine atomare Terassenstruktur mit Doppelstufen präpariert werden, wobei die Stufenkanten parallel zur <-110< Richtung verlaufen. Anschließend werden zunächst 1 bis 2 Monolagen Aluminium auf das Substrat aufgedampft, bevor dann die AlN-Schicht gewachsen wird.Before the actual epitaxy of the AlN layer, the substrate must be well off Surface impurities cleaned and an atomic terrace structure with Double steps are prepared, the step edges parallel to <-110 < Direction. Subsequently, 1 to 2 monolayers of aluminum evaporated onto the substrate before the AlN layer is then grown.
Wird der Epitaxieprozess wie beschrieben vorbereitet und ausgeführt, so entsteht eine eindomänige, einkristalline wurtzitische AlN-Schicht auf der in <110< Richtung gekippten Si(001)-Oberfläche. Die kristallographische c-Achse dieser AlN(0001)-Schicht ist dabei nicht parallel zur <001< Richtung des Si-Substrates, sondern zur Oberflächennormale des Si-Substrates gerichtet.If the epitaxy process is prepared and carried out as described, this results a one-domain, single-crystalline, Würzitic AlN layer on the <110 < Direction of tilted Si (001) surface. The crystallographic c-axis of this AlN (0001) layer is not parallel to the <001 <direction of the Si substrate, but directed towards the surface normal of the Si substrate.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Heteroepitaxie einkristalliner AlN-Schichten mit sehr guter kristalliner Qualität auf Si(001)-Oberflächen. Diese AlN-Schichten auf Si(001)-Wafern können für akustische Oberflächenwellenbauelemente und als Pufferschichten für die Epitaxie von GaN- Halbleiterbauelementen eingesetzt werden.The method according to the invention enables heteroepitaxy to be single-crystalline AlN layers with very good crystalline quality on Si (001) surfaces. This AlN layers on Si (001) wafers can be used for acoustic Surface wave devices and as buffer layers for the epitaxy of GaN Semiconductor components are used.
Das erfindungsgemäße Verfahren soll im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe method according to the invention is described below using a Embodiment will be explained in more detail. In the accompanying drawings demonstrate
Fig. 1 den Querschnitt durch ein Si(001) off-axis Substrat nach der Oberflächenpräparation Fig. 1 is a cross sectional view of a Si (001) off-axis substrate after the surface preparation
Fig. 2 die perspektivische Aufsicht auf ein Si(001) off-axis Substrat nach der Oberflächenpräparation Fig. 2 is a perspective plan view of a Si (001) off-axis substrate after the surface preparation
Fig. 3 den Querschnitt durch eine epitaktisch aufgewachsene AlN- Schicht auf dem off-axis Si(001)-Substrat. Fig. 3 shows the cross-section of an epitaxially grown AlN layer on the off-axis Si (001) substrate.
Ein off-axis Si(001)-Substrat 1, dessen Oberflächennormale 2 um einen Winkel α = 5° gegenüber der <001< Richtung zur Flächendiagonale <110< (beziehungsweise äquivalente Richtungen) hin gekippt ist, wird nach einer chemischen Reinigung unter Ultrahochvakuumbedingungen bei einer Temperatur von 1120°C mit Si beschichtet, bis im Elektronenbeugungsbild eine geordnete 2 × 1 Überstruktur sichtbar ist. Infolge des angegebenen Kippwinkels α bildet sich auf der Substratoberfläche im Ergebnis der Si-Homoepitaxie eine atomare Terassenstruktur (siehe Fig. 1), deren Terassenkanten atomare Doppelstufen bilden, die parallel zur <-110< Richtung verlaufen (siehe Fig. 2). Anschließend werden bei einer Substrattemperatur von 650°C zwei Monolagen Aluminium aufgedampft, wodurch sich eine 6 × 4 Überstruktur auf den Terassen 4 bildet. Dann wird ein Dampfstrom aktivierten Stickstoffs aus einer Hochfrequenz-Plasmaquelle auf das Substrat gerichtet, so dass sich AlN-Keime auf der Si-Oberfläche bilden. Im Anschluss wird zusammen mit dem Dampfstrom des aktivierten Stickstoffs ein Aluminium-Dampfstrom auf die Substratoberfläche gerichtet und die Substrattemperatur langsam auf die Epitaxietemperatur von 900°C erhöht. Es wächst eine einkristalline, eindomänige wurtzitische AlN(0001)-Schicht 5 mit einer sechszähligen Symmetrie, deren <0001< Richtung parallel zur Oberflächennormale 2 des off-axis Si(001)-Substrats 1 gerichtet ist und deshalb um den Winkel α = 5° von der <0001< Richtung des Si-Substrates 1 abweicht. An off-axis Si (001) substrate 1 , the surface normal 2 of which is tilted by an angle α = 5 ° with respect to the <001 <direction to the surface diagonal <110 <(or equivalent directions), is subjected to chemical cleaning under ultra-high vacuum conditions at a temperature of 1120 ° C with Si until an ordered 2 × 1 superstructure is visible in the electron diffraction pattern. As a result of the specified tilt angle α, an atomic terrace structure (see FIG. 1) forms on the substrate surface as a result of the Si homoepitaxy, the terrace edges of which form atomic double steps which run parallel to the <-110 <direction (see FIG. 2). Subsequently, two monolayers of aluminum are evaporated at a substrate temperature of 650 ° C., as a result of which a 6 × 4 superstructure is formed on the terraces 4 . A stream of activated nitrogen vapor is then directed onto the substrate from a high-frequency plasma source, so that AlN nuclei form on the Si surface. Then, together with the vapor stream of the activated nitrogen, an aluminum vapor stream is directed onto the substrate surface and the substrate temperature is slowly increased to the epitaxial temperature of 900 ° C. A single-crystalline, single-domain, Würzitic AlN (0001) layer 5 with a sixfold symmetry grows, whose <0001 <direction is parallel to the surface normal 2 of the off-axis Si (001) substrate 1 and therefore by the angle α = 5 ° deviates from the <0001 <direction of the Si substrate 1 .
11
off-axis Si(001)-Substrat
off-axis Si (001) substrate
22
Oberflächennormale des Si(001)-Substrats
Surface normal of the Si (001) substrate
33
Doppelstufe
double stage
44
Terasse
Terrace
55
einkristalline, wurtzitische AlN-Schicht
α Winkel zwischen der Oberflächennormale und der <001< Richtung des Si- Substrats
monocrystalline, wurtzitic AlN layer
α Angle between the surface normal and the <001 <direction of the Si substrate
Claims (3)
- - dass ein Si(001) off-axis Substrat (1) verwendet wird, dessen Oberflächennormale (2) um einen Winkel α gegenüber der <001< Richtung zur Flächendiagonale <110< (oder dazu äquivalente Richtungen) hin gekippt ist,
- - dass die Si(001) off-axis Substratoberfläche bei einer Temperatur größer als 1100°C so präpariert wird, dass eine Terassenstruktur (4) mit atomaren Doppelstufen (3) entsteht,
- - dass vor der eigentlichen Aluminiumnitrid (AlN)-Epitaxie bei einer niedrigeren Temperatur als der üblichen Wachstumstemperatur des AlN zunächst eine ein bis zwei Monolagen dicke Aluminiumschicht auf die Si-Oberfläche aufgedampft wird,
- - dass danach durch Zugabe von Stickstoff die Epitaxie von AlN eingeleitet wird und
- - dass anschließend die Substrattemperatur während der Epitaxie der AlN-Schicht (5) die Temperatur schrittweise bis zur üblichen Epitaxietemperatur des AlN erhöht wird.
- that an Si (001) off-axis substrate ( 1 ) is used, the surface normal ( 2 ) of which is tilted by an angle α relative to the <001 <direction to the surface diagonal <110 <(or directions equivalent to it),
- - that the Si (001) off-axis substrate surface is prepared at a temperature greater than 1100 ° C. so that a terrace structure ( 4 ) with atomic double steps ( 3 ) is formed,
- that before the actual aluminum nitride (AlN) epitaxy at a temperature lower than the usual growth temperature of the AlN, a one to two monolayer thick aluminum layer is first evaporated onto the Si surface,
- - that the epitaxy of AlN is then initiated by adding nitrogen and
- - That the substrate temperature during the epitaxy of the AlN layer ( 5 ), the temperature is gradually increased to the usual epitaxial temperature of the AlN.
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| DE10006108A Withdrawn DE10006108A1 (en) | 2000-02-11 | 2000-02-11 | Process for the epitaxial growth of single crystalline aluminum nitride layers on silicon substrates comprises preparing substrate to form terrace layer, vaporizing an aluminum layer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE10006108A1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2144306A1 (en) * | 2008-07-09 | 2010-01-13 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Group III nitride semiconductor light-emitting device and epitaxial wafer |
| EP2610372A2 (en) | 2011-12-30 | 2013-07-03 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH | Method for surface preparation Si(100) substrates |
| WO2014033649A1 (en) * | 2012-08-31 | 2014-03-06 | Oc Oerlikon Balzers Ag | Method for depositing an aluminium nitride layer |
-
2000
- 2000-02-11 DE DE10006108A patent/DE10006108A1/en not_active Withdrawn
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2144306A1 (en) * | 2008-07-09 | 2010-01-13 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Group III nitride semiconductor light-emitting device and epitaxial wafer |
| EP2610372A2 (en) | 2011-12-30 | 2013-07-03 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH | Method for surface preparation Si(100) substrates |
| DE102011122749A1 (en) | 2011-12-30 | 2013-07-25 | Helmholtz-Zentrum Berlin Für Materialien Und Energie Gmbh | Process for surface preparation of Si (100) substrates. |
| WO2014033649A1 (en) * | 2012-08-31 | 2014-03-06 | Oc Oerlikon Balzers Ag | Method for depositing an aluminium nitride layer |
| US9607831B2 (en) | 2012-08-31 | 2017-03-28 | Evatec Ag | Method for depositing an aluminium nitride layer |
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