DE102004038573A1

DE102004038573A1 - Verfahren zum epitaktischen Wachstum dicker, rissfreier Gruppe-III-Nitrid Halbleiterschichten mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie auf Si oder SIC

Info

Publication number: DE102004038573A1
Application number: DE102004038573A
Authority: DE
Inventors: Armin Dr.rer.nat. Dadgar; Alois Prof. Dr.rer.nat.habil. Krost
Original assignee: Azzurro Semiconductors AG
Current assignee: Azzurro Semiconductors AG
Priority date: 2004-08-06
Filing date: 2004-08-06
Publication date: 2006-03-16

Abstract

Gruppe-III-N bzw. Gruppe-III-V-N Halbleiter, wie z. B. GaN, InGaN oder InGaAsN werden meist auf Saphir-Substraten abgeschieden. Bei Bauelementen wie z. B. LEDs wird jedoch aufgrund des nichtleitenden Substrats eine aufwendige Strukturierung zur Rückseitenkontaktierung notwendig. Das Wachstum auf Si-Substraten bietet die Möglichkeit, auf großflächigen und im Vergleich von z. B. Saphir oder SiC preiswerten Substraten Gruppe-III-N bzw. Gruppe-III-V-N abzuscheiden. Dabei ist die Vermeidung von Rissen - die hauptsächlich durch die thermische Fehlanpassung der Materialien verursacht werden - in den Bauelementen entscheidend für deren kommerzielle Nutzbarkeit.
Das Verfahren ermöglicht es, rissfreie Gruppe-III-N Schichten auf Si- und SiC-Substraten abzuscheiden und ermöglicht damit auch eine einfachere Kontaktierung einer Vielzahl von Bauelementen. Darüber hinaus können mit dem Verfahren Gruppe-III-N Bauelemente mit herkömmlicher Si-Elektronik integriert werden.
Durch das Verfahren können preiswert Gruppe-III-N basierte Bauelemente wie z. B. Leuchtdioden, Laser, Photodetektoren und Transistoren auf Si-Substraten hergestellt werden.

Description

Das epitaktische Wachstum von Gruppe-III-Nitrid Schichten, wie sie für moderne optoelektronische und elektronische Bauelemente Verwendung finden, auf Silizium oder SiC führt je nach Methode und Wachstumstemperatur beim Abkühlen auf Raumtemperatur zur Ausbildung von Rissen aufgrund der stark verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten dieser Materialien.
Eine Möglichkeit ist es, nur dünne Schichten oder bei einer niedrigen Temperatur abzuscheiden. Aufgrund der vorhandenen Gitterfehlanpassung kann damit jedoch nur sehr defektreiches Material erzielt werden. Erst dickere Schichten bei höheren Wachstumstemperaturen erfüllen Ansprüche, die für moderne optoelektronische und elektronische Bauelemente wichtig sind, wie eine mikroskopisch glatte Oberfläche und niedrige Versetzungsdichten.

Dadgar et al. [Dadgar 2000] haben gezeigt, dass das Einbringen von Niedertemperatur AIN-Zwischenschichten das Wachstum von rissfreien, ca. 1.3 μm dicken GaN Schichten auf Si im Gegensatz zu der sonst üblichen maximal 1 μm Schichtdicke erlaubt. Hauptproblem dieses Verfahrens ist der zeitaufwendige Abkühl- und Aufheizprozess für diese Zwischenschichten. Es wurde auch gezeigt [Dadgar 2004], dass gleichdicke AIN Schichten, die bei hohen Temperaturen gewachsen werden keinen entsprechenden Effekt auf die Rissvermeidung haben. Die Ursache für die Rissvermeidung durch Niedertemperatur AIN Zwischenschichten wurde untersucht und es wurde festgestellt [Dadgar 2004], dass ein relaxiertes Aufwachsen von AIN bei Temperaturen unterhalb von ca. 1000°C Wachstumstemperatur auftritt, wahrscheinlich da AIN dann eine Tendenz zum polykristallinen Wachstum besitzt. Feltin et al. [Feltin 2001] haben gezeigt, dass sich mit AIN/GaN Übergitterstrukturen eine kompressive Verspannung erzeugen lässt, die sich erst nach dem Wachstum von 2.5 μm GaN verbraucht hat, d.h. erst oberhalb dieser Schichtdicke bilden sich Risse aus. Sie haben auch gezeigt, dass die tensile Verspannung des GaN mit zunehmender Schichtdicke wächst. Dieses Verfahren der AIN/GaN Übergitterstrukturen ist jedoch recht aufwendig und lässt sich nicht für beliebig dicke Schichtpakete anwenden, da es nur im unteren Teil der Pufferschicht funktioniert, wo es eine entsprechende Druckkomponente zur Kompensation der thermischen Zugverspannung erzeugt.

Das Verfahren nach Anspruch 1 bewirkt durch das Wachstum einer ausreichend dicken Al-haltigen Zwischenschicht, dass diese mindestens teilweise relaxiert. Die Relaxation findet bei diesem Material dabei meist durch Rissbildung in der Zwischenschicht statt. Das darauf aufgewachsene GaN wird dann kompressiv vorgespannt und diese kompressive Vorspannung kompensiert die tensile Verspannung beim Abkühlen. Durch die Rissbildung und das dadurch erfolgende teilweise facettierte Wachstum der Zwischenschicht können auch sehr effektiv Versetzungen an der Grenzfläche zu der darauf aufwachsenden Schicht abgebaut werden wie beim FACELO Wachstum [Honda 2001]. Wichtig dabei ist, dass dieses Verfahren keinen Abkühlprozess benötigt und durch die bessere Qualität der Hochtemperatur AIN Schicht auch zu einer höheren Qualität der GaN Schicht führt.

Die beste Dicke bei Verwendung von reinem AIN beträgt dabei, wie in Anspruch 2 genannt, je nach Schichtsystem mehr als 15 bis maximal 200 nm. Wichtig ist dabei, die Schicht nur so dick zu machen, dass diese Zwischenschicht nicht selbst beim Abkühlen reißt, d.h. sie muss so dünn sein, dass die aufgebaute Zugverspannung unterhalb des kritischen Wertes für ein Reißen liegt. Dieses Reißen geschieht auch bei während des Wachstums vollständig relaxierten Schichten, wenn diese sehr dick sind und führt auch bei einer kompressiven Vorspannung der darauf abgeschiedenen Schicht wiederum zu einem Reißen des gesamten Schichtpakets.
Durch das wiederholte Anwenden solch vorgespannter Zwischenschichten nach Anspruch 3 wird das Wachstum sehr dicker rissfreier GaN Schichten ermöglicht.
Eine geringfügige Absenkung der Wachstumstemperatur um 10-20°C zum Wachsen der AIN Zwischenschicht ist zwar nicht sinnvoll, da damit tendenziell schlechtere Schichtqualitäten erzielt werden. Trotzdem ist solch eine geringe Absenkung der Wachstumstemperatur, die schnell und unproblematisch durchgeführt werden kann, auch denkbar und soll daher zum Gegenstand der Erfindung gehören.
Zusätzlich zu den reinen Gruppe-III-Nitriden im System Gruppe-III-N ist das erfindungsgemäße Verfahren auch auf alle Materialien im System Metall-Stickstoff-Arsen-Phosphor, d.h. auch auf alle stickstoffreichen Halbleiter wie GaNAs, anwendbar.
Im Folgenden wird mit Bezug auf die schematische Darstellung der Schichtenfolge in 1 eins von vielen möglichen Ausführungsbeispielen gezeigt.
In einem MOVPE Reaktor wird zuerst eine dünne AIN-Keimschicht 1b auf einem Si(111) Substrat 1 abgeschieden. Darauf folgt bei normaler Wachstumstemperatur eine ca. 500 nm dicke GaN-Pufferschicht 2, um eine glatte, geschlossene Oberfläche zu erhalten. Darauf werden wie in Anspruch 2 genannt ca. 30 nm AIN 2b bei einer Temperatur oberhalb von 1000°C und mindestens bei der GaN Wachstumstemperatur abgeschieden und wieder ca. 1 μm GaN – Schicht 3 – bei derselben oder einer niedrigeren Wachstumstemperatur gewachsen. Nach einer zweiten AIN Zwischenschicht 3b nach Anspruch 3 wird die eigentliche dicke GaN-Schicht 4 begonnen, die mit der Bauelementstruktur abschließt bzw. diese ethält. Beeinflussen lässt sich die Verspannung durch die Dicken und die Kompositionen der Schichten, wodurch sie sich so einstellen lässt, dass das Substrat/Schichtsystem am Ende, d.h. nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur idealerweise eben und rissfrei ist.
Abkürzungen

Al: Aluminium
Ga: Gallium
Gruppe-III: Elemente aus der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente
Gruppe-III-N: Verbindungshalbleiter aus Elementen der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente mit Stickstoff
MOVPE: metal organic chemical vapor phase epitaxy, metallorganische Gasphasenepitaxie
N: Stickstoff
Si: Silizium; als Substrat sind außer gewöhnlichen Si-Substraten auch Substrate wie z. B. Silicon-on-insulator Substrate eingeschlossen
SiC: Siliziumcarbit
FACELO: Faceted Epitaxial Lateral Overgrowth, facettiertes epitaktisches laterales Überwachsen

Referenzen

[Dadgar 2001] A. Dadgar et al., Jpn. J. Appl. Phys. 39, L1183 (2000)
[Dadgar 2004] A. Dadgar, R. Clos, G. Strassburger, F. Schulze, P. Veit, T. Hempel, J. Bläsing, A. Krtschil, I. Daumiller, M. Kunze, A. Kaluza, A. Modlich, M. Kamp, A. Diez, J. Christen, and A. Krost, in Advances in Solid State Physics 44, B. Kramer Herausgeber, Springer (2004)
[Feltin 2001] E. Feltin, B. Beaumont, M. Laügt, P. de Mierry, P. Vennéguès, M. Leroux, P. Gibart, Physica Status Solidi (a) 188, 531 (2001)
[Honda 2001] Yoshiaki Honda, Yasushi Iyechika, Takayoshi Maeda, Hideto Miyake, and Kazumasa Hiramatsu, Jpn. J. Appl. Phys, Part 2 40, L309 (2001)

Claims

Verfahren zum epitaktischen Wachstum dicker, rissfreier Gruppe-III-Nitrid Halbleiterschichten mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie auf Si oder SiC, gekennzeichnet durch das Abscheiden einer zum Puffermaterial zugverspannten Al-haltigen Gruppe-III-Nitrid Zwischenschicht, die bei derselben oder einer höheren Temperatur als das Puffermaterial aufgewachsen wird und eine Dicke besitzt, die dazu führt, dass die Al-haltige Schicht mindestens teilweise oder vollständig relaxiert.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Wachsen einer 15 bis 200 nm dicken AIN Zwischenschicht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet, durch das wiederholte Wachsen einer zum Puffermaterial zugverspannten AI-haltigen Gruppe-III-Nitrid Zwischenschicht.