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DE10151092B4 - Verfahren zur Herstellung von planaren und rißfreien Gruppe-III-Nitrid-basierten Lichtemitterstrukturen auf Silizium Substrat - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von planaren und rißfreien Gruppe-III-Nitrid-basierten Lichtemitterstrukturen auf Silizium Substrat Download PDF

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DE10151092B4 DE2001151092 DE10151092A DE10151092B4 DE 10151092 B4 DE10151092 B4 DE 10151092B4 DE 2001151092 DE2001151092 DE 2001151092 DE 10151092 A DE10151092 A DE 10151092A DE 10151092 B4 DE10151092 B4 DE 10151092B4
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Dr. Dadgar Armin
Prof.Dr. Krost Alois
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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer planaren und rißfreien Gruppe-III-Nitridbasierten Lichtemitterstruktur auf einem Silizium-Substrat, bei dem vor dem Abgeführt werden: – Abscheiden einer Al-haltigrat; – Abscheiden von Gruppe-III-Nitrid-Schichten bei einer Temperatur oberhalb von 1000°C mittels metallorganischer Gasphasen-Epitaxie; – Dotieren der Gruppe-III-Nitrid-Schichten während des Abscheidens zum Erzielen einer n-Typ-Leitfähigkeit der Gruppe-III-Nitrid-Schichten; – ein- oder mehrmaliges Unterbrechen des Abscheidens der Gruppe-III-Nitrid-Schichten a) durch Abscheiden einer Al-haltigen Gruppe-III-V Niedertemperatur-Zwischenschicht und b) durch in-situ durchgeführtes Abscheiden einer SiN-Zwischenschicht mit einer jeweiligen Schichtdicke im Bereich weniger Monolagen, – wobei auf eine jeweilige Gruppe-III-Nitrid-Schicht entweder die Gruppe-III-V Niedertemperatur-Zwischenschicht oder die SiN-Zwischenschicht folgt; – wobei das Abscheiden der SiN-Zwischenschicht gefolgt ist vom Abscheiden der jeweils nachfolgenden Gruppe-III-Nitrid-Schicht unter forciertem Herbeiführen einer Koaleszenz dieser nachfolgenden Gruppe-III-Nitrid-Schicht, und – wobei eine Dicke der betreffenden SiN-Zwischenschicht sowie eine Wachstumstemperatur, ein Stickstoffprecursorangebot und ein...

Description

  • Die preiswerte Homoepitaxie auf GaN-Substraten ist aufgrund der derzeit geringen Größe und Qualität der verfügbaren GaN-Substrate nicht in kommerziellen Maßstäben möglich. Daher wird die kommerzielle Herstellung von Gruppe-III-Nitrid Schichten, wie z. B. für blaue und grüne Leuchtdioden, zur Zeit hauptsächlich auf Saphir- und SiC-Substraten durchgeführt. Die Substratkosten sind hierbei jedoch noch so hoch, daß sie für einen nennenswerten Teil der Bauelementkosten verantwortlich sind [Duboz]. Die Herstellung von Gruppe-III-N Bauelementschichten auf preiswerteren Substraten kann daher die Kosten der Bauelemente weiter reduzieren. Außerdem ist bei Verwendung des isolierenden Saphirs als Substrat, z. B. bei Leuchtdioden, eine aufwendige und kostenintensive Strukturierung zur Rückseitenkontaktierung der Bauelemente notwendig, wie z. B. bei Mayer et al. [Mayer].
  • Das großflächige Wachstum auf Saphir und SiC ist derzeit mangels verfügbarer Substrate nicht möglich, was sich negativ auf die Ausbeute pro Fläche auswirkt, da, bedingt durch den nicht verwendbaren Waferrand von einigen Millimetern, sie bei kleinem Substratdurchmesser immer geringer ist als bei großem. Jedoch zeichnet sich seit einigen Monaten zumindest beim Saphir ein Umstieg zu Substraten mit 4'' bzw. 10 cm Durchmesser ab.
  • Das Wachstum auf Si bietet aufgrund der Verfügbarkeit von Substraten bis zu derzeit 30 cm Durchmesser die Möglichkeit, mit sehr preiswerten Substraten die Ausbeute weiter zu erhöhen und bei vielen Bauelementen auch eine einfachere Strukturierung als auf Saphir zu ermöglichen. Derzeit liegen die Substratpreise von Si über einen Faktor 10 unter denen von Saphir und mindestens einen Faktor 50 unter denen von SiC. Si-Substrate ermöglichen es außerdem, nitridhaltige Bauelementstrukturen mit der bestehenden Si-Technologie zu integrieren.
  • Es gibt daher starke Bestrebungen, Gruppe III-N Schichten auf Si-Substraten abzuscheiden. Dabei wird das Wachstum auf den Si (111)-Flächen favorisiert [Auner, Dadgar00, Guha, Kobayashi, Nikishin, Sánchez-Garcia, Schenk, Tran]. Alternativ ist z. B. auch das Wachstum bei optimierten Parametern auf Si (100) Flächen [Wang] und insbesondere auf mit (111) V-Gräben strukturiertem Si (100) möglich [ DE 197 25 900 A1 ].
  • Es gibt zum Wachstum auf Si unterschiedliche Ansätze, die meist eine schützende Niedertemperaturschicht, z. B. aus AlN oder SiC auf dem Si-Substrat vorsehen, um die Nitridierung des Substrats zu vermeiden, einem allgemeinen Problem der Epitaxie von nitridischen Halbleitern auf Si [Ito, Nikishin, Tran]. Diese Untersuchungen gehen bisher jedoch allgemein nicht über prinzipielle Machbarkeitsstudien hinaus. So wurde vor kurzem von mehreren Autoren [Dadgar01, Feltin, Guha, Tran, Yang] die Machbarkeit einer LED Struktur auf Si demonstriert.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer planaren und rißfreien Gruppe-III-Nitrid-basierten Lichtemitterstruktur ist in Anspruch 1 angegeben, eine erfindungsgemäße Lichtemitterstruktur in Anspruch 8.
  • Durch die Verwendung einer in Anspruch 1 erwähnten Keimschicht wild ein gleichmäßiges Bekeimen bzw. Bewachsen des Substrats ermöglicht. Dabei ist unter Keimschicht ein wenige Nanometer dicke, nicht zwingend geschlossene Schicht zu verstehen, die trotz eventuell schlechter kristalliner und/oder stöchiometrischer Eigenschaften als Grundlage für das anschließende Schichtwachstum dient, bzw. von der aus das weitere Schichtwachstum ausgeht. Im Fall der Epitaxie auf Si ist sie auch häufig notwendig, damit eine Vorzugsorientierung vom unpolaren Si zum z. B. polaren GaN vorgegeben wird und somit darauf die Puffer- oder Bauelementschicht überhaupt erst abgeschieden werden kann. Solche Keim- und/oder Pufferschichten auf Si sind von außerordentlicher Wichtigkeit für das erfolgreiche Wachstum von Gruppe-III-N und Gruppe-III-V-N Schichten auf Si. Denn nur eine geschlossene Keim- und/oder Pufferschicht, z. B. aus einem Gruppe-III-V Material wie im System AlxGayInzNaAsbPc (x + y + z = 1, a + b + c = 1) kann eine Nitridierung des Substrats bei höheren Temperaturen vermeiden.
  • Vorteilhaft ist hierbei eine Niedertemperaturkeimschicht, die die Nitridierung des Substrats hemmt und meist zu niedrigen Serienwiderständen beiträgt. Dabei bedeutet ”Niedertemperatur” abhängig vom Material immer eine Temperatur wesentlich unterhalb der üblichen Wachstumstemperatur von nitridischen Halbleitern wie GaN und AlN, die in der MOCVD oberhalb von 1000°C liegt. Zum Wachstum einer Keim- bzw. Pufferschicht ist die vorherige Abscheidung eines Metalls wie z. B. Al hilfreich, daß dazu dient die Si-Oberfläche vor dem Einschalten von z. B. NH3 vor der störenden Nitridierung zu schützen [Nikishin].
  • Hauptproblem der Epitaxie von Gruppe III-N Schichten auf Si-Substraten ist die thermische Fehlanpassung der Materialien, die insbesondere beim Wachstum bei hohen Temperaturen von über 1000°C – wie sie z. B. in der Gasphasenepitaxie üblich sind – ab Schichtdicken oberhalb von ca. 1 μm zur unkontrollierbaren Rißbildung führt oder bei Wachstumsmethoden, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten, wie z. B. der MBE, keine Schichtdicken oberhalb von ca. 3 μm zulassen. Dabei kommt es je nach Prozeßführung zur Rißbildung mit Abständen von ca. 10–500 μm zwischen den Rissen. Für die kommerzielle Herstellung von Bauelementen, wie z. B. LEDs oder Transistoren, ist zur Erzielung einer guten Schichtqualität das Wachstum dicker Schichten und somit die Vermeidung von Rissen entscheidend. Mögliche Methoden sind z. B. die gezielte Rißführung auf einem strukturiertem Substrat [ DE 100 56 645 A1 ] oder das Wachstum von dicken AlN/AlGaN Pufferschichten bzw. AlN/GaN Übergittern [Feltin]. Die zweite Methode erschwert aufgrund des hohen Serienwiderstands dieser Materialien eine vertikale Stromführung über das Substrat und erfordert daher im Fall der Leuchtdiode eine aufwendige Kontaktierung beider Stromzuführungen von oben.
  • Rißvermeidung kann durch die Verwendung von Niedertemperatur-Zwischten nach Anspruch 1, wie sie schon von Amano et al. [Amano] zum Wachstum von verspannten AlGaN Schichten auf Saphir vorgeschlagen wurden realisiert, werden. Dadgar et al. [Dadgar00] haben gezeigt, daß sich damit prinzipiell eine Rißreduktion von GaN auf Si-Substraten erzielen läßt. Dabei sollte bei Verwendung, mehrere solcher Schichten der Abstand der Niedertemperatur-Zwischen unterhalb der kritischen Dicke der dazwischenliegenden Schicht liegen, die z. B. für GaN bei ca. 1 μm liegt.
  • Die beschriebenen Niedertemperatur-Zwischen besitzen meist eine schlechte kristalline Qualität und eventuell auch eine nichtstöchiometrische Zusammensetzung. Trotz des Spannungsabbaus werden durch diese Schichten meist neue Versetzungen in der darauffolgenden Schicht erzeugt. Daher kann mit dieser Methode kein versetzungsarmes Material wie es für leistungsfähige Bauelemente notwendig ist, hergestellt werden. Dieses Problem wird durch das Einfügen von dünnen SixNy-Zwischenschichten, wie es erstmals von Tanaka et al. für das Wachstum von GaN auf Saphir vorgeschlagen wurde [Tanaka], gelöst. Das SixNy wird dabei in-situ, d. h. während des Wachstumsprozesses abgeschieden. Dazu wird z. B. in der MOCVD der Siliziumausgangsstoff wie z. B. Silan und ein Stickstoffausgangsstoff wie z. B. Ammoniak über das Substrat geleitet. Es bildet sich dann eine meist nicht völlig geschlossene SixNy Schicht, die als Maskierung für das darauffolgende Wachstum dient. Dabei sollte. diese Zwischenschicht so dick sein, daß idealerweise nach der SixNy Abscheidung nur noch wenige Gruppe-III-Nitrid Inseln im Abstand von hundert Nanometern bis zu einigen Mikrometern enstehen. Durch die Inseln, von denen das weitere Wachstum ausgeht bzw. die Maskierung, die die darunterliegenden Versetzungen zum Teil oder vollständig auslöscht, kann das darüberliegende Material deutlich versetzungsärmer gewachsen werden. Einige neue Versetzungen entstehen dann eventuell an den koaleszierenden Rändern der einzelnen Bereiche.
  • Beim Wachstum auf Silizium ist jedoch im Gegensatz zum Wachstum auf Saphir zu beachten, daß die Koaleszenzdicke, die bei solch einer SixNy-Maskierung auftritt, in den bisher beschriebenen Verfahren zu groß ist, d. h. oberhalb der kritischen Rißdicke für z. B. GaN auf Si von 1 μm liegen und zwangsläufig Risse entstehen. Insbesondere sind diese Schichten in der Literatur undotiert. Eine n-Typ Dotierung hingegen, wie sie für vertikal kontaktierte Lichtemitterstrukturen unabdingbar ist, hemmt das schnelle Koaleszieren der Schicht. Dieser Nachteil wird in diesem Verfahren durch ein forciertes Koaleszieren verhinder. Dazu ist eine relative hohe Wachstumstemperatur und ein hohes Stickstoffprecursorangebot, bzw. hohes V-III Verhältnis, förderlich.
  • Zur besseren Keimbildung oberhalb der SixNy Maske kann auch mit einer reduzierten Temperatur bei mäßigen V-III Verhältnissen begonnen und erst nach einigen Nanometern Materialabscheidung das forcierte Koaleszieren begonnen werden. Es lassen sich so, abhängig von der Dichte der Maskierung, Koaleszenzdicken im Bereich von wenigen hundert Nanometern erzielen und damit die Rißbildung vermeiden. Ideal ist solch eine Schicht oberhalb der letzen Niedertemperatur Zwischenschicht. Aber auch schon vorher kann sie zur Verbesserung der Schichtqualität dienen und die Versetzungsdichte reduzieren. Sie ist dann aber, sofern es die einzige SixNy-Maske ist, meist nicht so effizient für das in der oberen Schicht abgeschiedene Bauelement.
  • Der Vorteil der in-situ-Abscheidung der Maske ist von allen Dingen der entfallende Prozessierungsaufwand und dadurch geringe Kosten. Außerdem ist mit ex-sit-Masken aufgrund deren Größe ein Überwachsen der Struktur mit Schichtdicken unterhalb von 1 μm nicht möglich, und es treten störende Effekte wie das Verkippen der Schicht in den überwachsenen Bereichen auf.
  • Mit der in Anspruch 1 genannten Methode lassen sich auch Gruppe-III-Nitrid Laserstrukturen auf Silizium abscheiden. Hierzu ist noch das zusätzliche Wachstum von Wellenleitern um die aktive Schicht notwendig. Durch die in-situ abgeschiedene SixNy-Maske kann ausreichend versetzungsarmes Material abgeschieden werden, um eine ausreichende Bauelementlebensdauer zu gewährleisten. Aufgrund der im Gegensatz zu Saphir höheren Wärmeleitfähigkeit des Si-Substrats kann wiederum eine höhere Lebensdauer des Lasers erwartet werden, und aufgrund gemeinsamer natürlicher Bruchkanten von GaN auf Si (111) ist die Herstellung vereinfacht.
  • Zeichnung 1 zeigt schematisch als Beispiel einen möglichen Schichtaufbau einer rißfreien LED-Struktur auf Silizium-Substrat mit dem in Anspruch 1 genannten Verfahren zur Schichtverbesserung. Die Zeichnungen 2 und 3 zeigen eine Möglichkeit der Substratstrukturierung wie sie im folgenden erläutert wird.
  • Dabei geht es um die Lösung eines weiteren Problems beim Wachstum von nicht kohärenten Lichtemittern auf Silizium aufgrund der optischen Eigenschaften des Substrats. Die Lichtausbeute wird hier stark durch das im Sichtbaren absorbierende Substrat und die schlechte Lichtauskopplung aus der relativ dünnen Gruppe-III-Nitrid-Schicht beeinträchtigt. Auch das nicht im Si absorbierte Licht geht zum großen Teil durch Totalreflektion und Absorption in der Gruppe-III-Nitrd-Schicht verloren. Das Aufbringen geeigneter Materialien auf der Schicht, wie z. B. transparente leitfähige Oxide (TCOs), und deren Strukturierung z. B. in Pyramidenform, ähnlich gängiger Antireflexschichten bei Solarzellen, kann die Lichtauskopplung deutlich erhöhen. Hier ist ein identischer oder höherer Brechungsindex der aufgetragenen Schicht als der der Gruppe-II-Nitrid-Schicht vorteilhaft.
  • Eine weitere Methode zur Erhöhung der Lichtausbeute wurde kürzlich von Jin et al. [Jin] vorgestellt. Hier werden z. B. Löcher oder andere Strukturen in die Schicht geätzt, so daß das Licht dort aus der Schicht austreten kann. Vorteilhaft ist in diesem Fall das Ätzen von Schrägen, wie z. B. in Zeichnung 2 im Querschnitt und in Zeichnung 3 in der Aufsicht dargestellt, um die Lichtauskopplung weiter zu begünstigen.
  • Eine andere, meist nicht so effiziente Methode zur Lichtauskopplung ist das Wachsen der letzten Schicht derart, daß die Schicht rauh wird und dadurch die Lichtauskopplung begünstigt. Dies ist bei hoch p-Typ dotierten GaN:Mg Schichten häufig der Fall, kann aber auch durch eine in-situ Maskierung z. B. mit SixNy wie in Anspruch 1 forciert werden, wenn dabei die Schicht nicht völlig koalesziert, d. h. noch rauh ist. Dabei lassen sich einfach über die Wahl der Wachstumsparamete, wie z. B. des V-III Verhältnisse Schrägen an den Wachstumsfronten erzeugen.
  • Die hier beschiebenen und in den Zeichnungen wiedergegebenen Beispiele stellen nur einige von vielen möglichen Ausführungsformen des Verfahrens dar.
  • Abkürzungen
    • Al
      Aluminium
      As
      Arsen
      Ga
      Gallium
      Gruppe-III
      Elemente aus der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente
      Gruppe-III-V
      Verbindungshalbleiter aus Elementen der dritten und fünften Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente
      Gruppe-III-N, Gruppe-III-Nitrid
      Verbindungshalbleiter aus Elementen der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente mit Stickstoff
      Gruppe-II-V-N, Gruppe-III-V-Nitrid
      Verbindungshalbleiter aus Elementen der dritten Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente mit Stickstoff und einem weiteren Element der fünften Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente
      In
      Indium
      LED
      Light Emitting Diode/Device, lichtemittierende Diode/Bauelement
      MBE
      Molecular Beam Epitaxy, Molekularstrahlepitaxie
      MOCVD
      metal organic chemical vapor Phase deposition, metallorganische Gasphasenabscheidung
      N
      Stickstoff
      P
      Phosphor
      Saphir
      Al2O3, Aluminiumoxid, hier ist Korund miteingeschlossen
      Si
      Silizium; als Substrat sind außer gewöhnlichen Si-Substraten auch Substrate wie z. B. Silicon-on-insulator-Substrate eingeschlossen
      SiC
      Siliziumcarbd
      SixNy
      Siliziumnitrid (x, y beliebig)
      TCO
      Transparent Conducting Oxide, z. B. ZnO, InSnO etc.
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Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung einer planaren und rißfreien Gruppe-III-Nitridbasierten Lichtemitterstruktur auf einem Silizium-Substrat, bei dem vor dem Abscheiden aktiver Schichten folgende Schritte durchgeführt werden: – Abscheiden einer Al-haltigen Gruppe-III-V-Keimschicht auf dem Silizium-Substrat; – Abscheiden von Gruppe-III-Nitrid-Schichten bei einer Temperatur oberhalb von 1000°C mittels metallorganischer Gasphasen-Epitaxie; – Dotieren der Gruppe-III-Nitrid-Schichten während des Abscheidens zum Erzielen einer n-Typ-Leitfähigkeit der Gruppe-III-Nitrid-Schichten; – ein- oder mehrmaliges Unterbrechen des Abscheidens der Gruppe-III-Nitrid-Schichten a) durch Abscheiden einer Al-haltigen Gruppe-III-V Niedertemperatur-Zwischenschicht und b) durch in-situ durchgeführtes Abscheiden einer SiN-Zwischenschicht mit einer jeweiligen Schichtdicke im Bereich weniger Monolagen, – wobei auf eine jeweilige Gruppe-III-Nitrid-Schicht entweder die Gruppe-III-V Niedertemperatur-Zwischenschicht oder die SiN-Zwischenschicht folgt; – wobei das Abscheiden der SiN-Zwischenschicht gefolgt ist vom Abscheiden der jeweils nachfolgenden Gruppe-III-Nitrid-Schicht unter forciertem Herbeiführen einer Koaleszenz dieser nachfolgenden Gruppe-III-Nitrid-Schicht, und – wobei eine Dicke der betreffenden SiN-Zwischenschicht sowie eine Wachstumstemperatur, ein Stickstoffprecursorangebot und ein V-III-Verhältnis beim Abscheiden der nachfolgenden Gruppe-III-Nitridschicht so eingestellt werden, daß die Gruppe-III-Nitridschicht innerhalb von wenigen 100 Nanometern koalesziert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach dem Abscheiden der Gruppe-III-Nitrid-Schichten auf eine Oberfläche der Lichtemitterstruktur ein transparentes Material aufgebracht wird, welches anschließend texturiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem nach dem Abscheiden der Gruppe-III-Nitrid-Schichten ihre Oberfläche mittels Ätzen strukturiert wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Abscheiden der Gruppe-III-Nitrid-Schichten das Abscheiden einer rauhen Gruppe-III-Nitrid-Deckschicht umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem als Gruppe-III-Nitrid-Deckschicht eine hoch p-dotierte GaN:Mg-Schicht abgeschieden wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine rauhe Oberfläche der Lichtemitterstruktur hergestellt wird, indem die Gruppe-III-Nitrid-Schicht nach einer letzten der in-situ-Maskierungen mit der SiN-Zwischenschicht nicht vollständig koalesziert.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die SiN-Zwischenschicht mit einer solchen Dicke abgeschieden wird, bei der die anschließend abgeschiedene Gruppe-III-Nitrid-Schicht zunächst in Form von Gruppe-III-Nitrid-Inseln mit wechselseitigem Abstand von 100 Nanometern bis zu einigen Mikrometern entsteht, von denen anschließend das weitere Schichtwachstum ausgeht.
  8. Gruppe-III-Nitrid-basierte Lichtemitterstruktur auf einem Silizium-Substrat, umfassend: – eine aluminiumhaltige Gruppe-III-V-Keimschicht unmittelbar auf dem Siliziumsubstrat; – eine darauf abgeschiedene Schichtfolge von n-dotierten Gruppe-III-Nitrid-Schichten; wobei – die Schichtfolge der Gruppe-III-Nitrid-Schichten unterbrochen ist von a) einer oder mehreren aluminiumhaltigen Gruppe-III-V-Niedertemperatur-Zwischenschichten; und b) einer oder mehreren in-situ SiN-Zwischenschichten mit einer jeweiligen Schichtdicke im Bereich weniger Monolagen, – auf eine jeweilige Gruppe-III-Nitrid-Schicht entweder die Gruppe-III-V Nie dertemperatur-Zwischenschicht oder die SiN-Zwischenschicht folgt; – die SiN-Zwischenschicht jeweils gefolgt ist von einer nachfolgenden Gruppe-III-Nitrid-Schicht der Schichtfolge und diese jeweils nachfolgende Gruppe-III-Nitrid-Schicht innerhalb von wenigen 100 Nanometern Schichtdicke koalesziert ist, und wobei diese Schichtfolge als Trägerstruktur für aktive Schichten dient und damit die Lichtemitterstruktur als Ganzes planar und rißfrei ist.
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