DE10041285A1

DE10041285A1 - Verfahren zur Epitaxie von (Indium, Aluminium, Gallium)-nitrid-Schichten auf Fremdsubstraten

Info

Publication number: DE10041285A1
Application number: DE10041285A
Authority: DE
Inventors: Dieter Bimberg; Alois Krost; Andrn Strittmatter
Original assignee: Technische Universitaet Berlin
Current assignee: Technische Universitaet Berlin
Priority date: 2000-08-22
Filing date: 2000-08-22
Publication date: 2002-03-07
Also published as: JP2004509462A; US20030111008A1; AU1815802A; WO2002023603A1; EP1238414A1

Abstract

Gruppe-III-Nitride werden hauptsächlich auf Fremdsubstraten wie Saphir, SiC oder Si abgeschieden für die Realisierung von Halbleiterbauelementen wie z. BN. LEDs und Laser. Die hohe Gitterfehlanpassung zwischen der Schicht und jedem dieser Substrate führt zu einer hohen Versetzungsdichte in diesen Schichten, die die optischen und elektrischen Eigenschaften von Bauelementen beeinträchtigen. Die Reduktion der Versetzungsdichte läßt sich durch die Methode des lateralen Überwachsens erreichen, bei dem sich Teile der diskontinuierlichen, versetzungsreichen Schicht durch laterales Wachstum zu einer kontinuierlichen Schicht verbinden. Die lateral wachsenden Teile der Schicht weisen eine deutlich verringerte Versetzungsdichte auf. DOLLAR A Die bisher angewandten Verfahren zum lateralen Überwachsen benötigen eine Maske aus z. B. SiN¶x¶. Die Aufbringung dieser Maske erfordert in der Regel eine Wachstumsunterbrechung oder eine veränderte Prozeßführung während der Mukleation der Nitrid-Schichten auf dem Substrat. Dagegen kann beim neuen Verfahren auf Maskierung verzichtet werden, so daß weder der Prozeß unterbrochen noch während der Nukleation der Nitrid-Schichten verändert werden muß. DOLLAR A Das neue Verfahren beruht auf einer Strukturierung des Substrats in Vertiefungen und Erhebungen mit geeigneter Präparation der Seitenwände der Vertiefungen, so daß sich das Wachstum von Beginn an aufspaltet in Wachstumsfronten auf den Erhebungen und in den Vertiefungen. Die lateral wachsenden Teile der ...

Description

Das Verfahren beinhaltet eine Form des sogenannten lateralen Überwachsens von (In,Al,Ga)N auf Fremdsubstraten bei der eine Vorstrukturierung des Substrats in Vertiefungen und Erhebungen vorgenommen wird, mit der speziellen Eigenschaft der seitlichen Wände der Vertiefungen, das sie zu einer anfänglichen Trennung des Wachstums der (In,Ga,Al)N-Schicht in Wachstumsfronten auf den Böden der Vertiefungen und auf den dazwischen liegenden Erhebungen führen. (In,Al,Ga)N-Schichten finden breite Anwendung für optoelektronische und elektronische Halbleiter-Baulemente.

Problemstellung

Für die Epitaxie von (In,Al,Ga)N werden bisher nahezu ausschließlich Fremdsubstrate wie Saphir, Siliziumkarbid, oder Silizium verwendet. Diese weisen eine starke Fehlanpassung in den Gitterkonstanten auf (3-40%), mit der Folge, daß sich in der wachsenden Schicht immer eine hohe Dichte von Versetzungen (10⁸-10¹⁰ cm^-2) ausbilden muß, die die Leistungsfähigkeit von Bauelementen verschlechtert (Ref. 1). Seit einigen Jahren wird das sogenannte laterale Überwachsen verwendet, uni die Versetzungsdichte abzubauen (Ref. 2-5). Dabei wird ausgenutzt, daß eine lateral wachsende Schicht ohne epitaktische Beziehung zum Substrat in seiner natürlichen Kristallinität ohne Ausbildung von Versetzungen wachsen kann. Das laterale Überwachsen wird dadurch erreicht, daß eine Maske (z. B. aus SiO₂ oder SiN_x) auf die Oberfläche (Fig. 1a und 1b) aufgebracht wird, auf der bei geeigneter Wahl der Parameter kein Wachstum von (In,Al,Ga)N stattfindet. In diese Maske werden parallele Öffnungen in Form von Streifen gebracht, in denen dann das Wachstum von (In,Al,Ga)N stattfinden kann. Erreicht die Wachstumsfront die obere Kante der Maske, kann das Material in lateraler Richtung über die Maske versetzungsfrei wachsen. Nach entsprechender Wachstumszeit kann sich die Schicht über der Maske schließen (Fig. 2). Bei diesem Verfahren treten Probleme auf, die mit der Aufbringung der Maske verbunden sind. Bringt man die Maske auf eine gewachsene (In,Al,Ga)N-Schicht auf (Fig. 1b), so muß man den Epitaxieprozeß unterbrechen, und nach Maskenaufbringung neu starten. Bringt man die Maske vor der Epitaxie auf (Fig. 1a), so besitzt das Substrat keine homogene Oberfläche, so daß der Epitaxiestart auf dem Substrat, der der entscheidende Punkt für die spätere optische und kristallografische Qualität der Schicht ist, neu optimiert werden muß, und die mögliche Wahl der Parameter eingeschränkt wird (Ref. 5). Weiterhin unerwünscht bei der Verwendung von Masken ist die zusätzliche Einbringung von thermisch induzierter Verspannung auf der Oberfläche, da die Maske in der Regel eine andere thermische Ausdehnung besitzt als die (In,Al,Ga)N-Schicht und somit beim Aufheizen und/oder Abkühlen die Schicht verspannt (Ref 6). Zusätzlich birgt die Verwendung von Masken die Möglichkeit des Einbaus von Verunreinigungen in die Schicht in Folge von Maskenerosion in sich (Ref. 7). Die Aufgabenstellung liegt daher in der Suche nach einem maskenfreien Prozeß, der dennoch die Vorteile des Versetzungsabbaus durch laterales Überwachsen ermöglicht.

Lösung

Das Problem wird gelöst durch die Verwendung von Substraten gemäß Anspruch 1. Die Strukturierung der Substrate in Vertiefungen und Erhebungen, ermöglicht ein laterales Überwachsen von den Erhebungen über die Öffnung der Vertiefungen hinaus (Fig. 3). Voraussetzung hierbei ist eine Trennung des Wachstums auf den Böden der Vertiefung und auf den Erhebungen, was über die Präparation der Seitenwände der Gräben erreicht werden kann. Wenn auf den Seitenwänden durch diese Präparation, z. B. Passivierung mit einem inertem Material, kein oder nur sehr geringes Wachstum stattfindet, so müssen sich zwangsläufig getrennte Wachstumsfronten ausbilden.

Bei diesem Prozeß wird eine maskenfreie, einheitliche Oberfläche (eine passivierte Seitenwand der Vertiefung ist für das von den Erhebungen aus wachsende Material unerheblich) beim Epitaxiestart zur Verfügung gestellt, so daß weder zusätzliche thermische Verspannung, zusätzliche Verunreinigungen in die Schicht, noch eine wesentliche Veränderung der Wachstumsparameter beim Wachstumsstart verursacht werden.

In Unteranspruch 2 wird eine nützliche Strukturierung der Vertiefungen in parallele Gräben beschrieben. Durch diese Regelmäßigkeit der Strukturierung ergibt sich eine bessere Kontrolle der Überwachsung, da die Überwachsung quer zu den Gräben erfolgt.

Unteranspruch 3 beinhaltet eine nützliche kristallografische Orientierung der Gräben relativ zur Substratoberfläche. Dies führt zu einer Ausbildung von definierten seitlichen Facetten des wachsenden Kristalls, die zu einer besseren Kontrolle des Zusammenwachsens der Schicht führt, da jede Kristallfacette mit einer spezifischen Wachstumsrate wächst.

Unteranspruch 4 stellt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung in der Weise dar, daß die Trennung der Wachstumsfronten durch eine genügende Steilheit der Grabenwände erreicht wird und somit keine zusätzlichen Prozeßschritte für die Präparation der Seitenwände erforderlich ist.

Unteranspruch 5 berücksichtigt, daß auch nach Abschluß der gesamten Überwachsung (die von den Erhebungen ausgehende Schicht ist über den Boden einer Vertiefung hinweg geschlossen) die Wachstumsfronten getrennt sind und damit vermieden wird, daß sich Versetzungen vom Boden der Vertiefung in die überwachsene Schicht fortpflanzen.

Unteranspruch 6 bezieht die Lösung explizit auf Si-Substrate, deren Nutzung als Substrat- Material eine besonders kostengünstige Ausführung ermöglicht, da sie einen besonders geringen Preis pro Fläche besitzen und eine Ankopplung an bestehende Prozesse in der Mikroelektronik ermöglichen.

Ausführungsbeispiel (auf Si-Substrate bezogen)

Auf ein Siliziumsubstrat mit Si(111)-Oberfläche wird zunächst eine lichtempfindliche Lackmaske aufgetragen und mit konventioneller Photolithografie eine Streifenstruktur mit z. B. 5 µm Öffnungen in 5 µm Abständen aufgetragen. In die so maskierte Oberfläche wird mittels eines Ätzprozesses (z. B. mittels Ionenätzens) die Grabenstruktur hineingeätzt mit einer Tiefe von z. B. 4 µm und im Anschluß daran die Lackmaske mit sogenannten Removern wieder entfernt. Das Substrat besteht nun einheitlich aus einer Si-Oberfläche mit unbehandelten Stegen und geätzten Grabenböden, deren Seitenwände aufgrund der Anisotropie typischer Ätzprozesse auf Si(111)-Oberflächen einen Unterschnitt aufweisen können. Darauf folgend kann das strukturierte Substrat wie ein planares Standard-Substrat für die Epitaxie vorbereitet werden und die Epitaxie wie z. B. in Ref. 8 beschrieben vollzogen werden. Zur Verstärkung des lateralen Wachstums können die Parameter entsprechend Ref. 9 verändert werden.

Das Ausführungsbeispiel läßt sich sinngemäß auf jedes andere, für die Epitaxie von (In,Ga,Al)- Nitridschichten geeignete Substrat übertragen, insbesondere auf SiC- und Saphir-Substrate.

Literatur

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Claims

1. Verfahren zur Epitaxie von (Indium, Aluminium, Gallium)-nitrid-Schichten auf Fremdsubstraten, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche Vertiefungen aufweist, wobei die Flanken der Vertiefungen so beschaffen sind, daß die Wachstumsfronten auf den Böden der Vertiefungen und auf den dazwischen befindlichen Erhebungen voneinander getrennt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen in Form von parallelen Gräben ausgeführt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen in Form von parallelen Gräben ausgeführt sind und entlang einer kristallografischen Richtung auf der Substratoberfläche orientiert sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Wände der Vertiefungen eine genügend große Steilheit aufweisen, so daß die wachsende Schicht am Boden der Vertiefung und die wachsende Schicht auf den Erhebungen zwischen den Vertiefungen voneinander getrennt sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Vertiefung im Verhältnis zur Breite der Öffnung der Vertiefungen so groß ist, daß für gegebene laterale und vertikale Wachstumsraten der (In,Al,Ga)N-Schicht, ausgehend von den Erhebungen die Vertiefungen lateral überwachsen werden, wobei zwischen der auf einem Boden wachsenden Schicht und der überwachsenden Schicht keine Verbindung besteht bis sich die überwachsende Schicht über der Vertiefung geschlossen hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Si-Substrat verwendet wird.