DE10034263A1 - Verfahren zur Herstellung eines Quasisubstrats - Google Patents
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Abstract
Bei der Herstellung eines Quasisubstrats mit einer Nutzschicht aus GaN und einem Grundsubstrat aus Saphir wird während dem Aufwachsen (6) der Zwischenschicht gezielt Sauerstoff in den Epitaxiereaktor geleitet. Durch diese Maßnahme läßt sich die Reproduzierbarkeit des Verfahrens wesentlich verbessern.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Quasisubstrats mit einer Nutzschicht auf der Basis von GaN
und einem Grundsubstrat aus Saphir.
Aus Shuji Nakamura, The Blue Laser Diode, Seite 63 bis 77 ist
bekannt, vor dem Aufwachsen der eigentlichen Nutzschicht auf
der Basis von GaN eine Pufferschicht mit einer Dicke von we
nigen 10 nm bei reduzierter Temperatur auf einem Substrat aus
Saphir abzuscheiden. Als Material für die Pufferschicht wird
entweder GaN oder AlN verwendet. Anschließend erfolgt die
Epitaxie der eigentlichen Nutzschicht auf der Basis von GaN.
Dieses Verfahren ermöglicht, Halbleiterstrukturen auf der Ba
sis von GaN herzustellen. Dies ist insofern von Bedeutung,
als es noch nicht gelungen ist, Volumenkristalle aus GaN auf
wirtschaftlich sinnvolle Weise herzustellen. Der einzig gang
bare Weg zur Herstellung von Halbleiterschichtfolgen auf der
Basis von GaN stellt daher das Abscheiden von GaN auf Sub
straten, wie beispielsweise Saphir, dar.
Ein Nachteil des bekannten Verfahrens ist die große Streuung
in der Qualität der nach diesem Verfahren hergestellten Bau
elemente. Die bekannten Verfahren eignet sich daher nur ein
geschränkt für den Einsatz in der Großserienproduktion.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich
auf einem Grundsubstrat angeordnete Nutzschichten auf der Ba
sis von GaN mit hoher Qualität und Zuverlässigkeit herstellen
lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwi
schen der Nutzschicht und dem Grundsubstrat eine Zwischenschicht
aus einem mit Sauerstoff dotiertem Nitrid der Ele
mente der Gruppe III ausgebildet wird.
Durch die Zugabe von Sauerstoff wird die Zuverlässigkeit des
Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich er
höht. So lassen sich durch die Anwendung des Verfahrens gemäß
der Erfindung Nutzschichten auf der Basis von GaN fertigen,
die in mehr als 80% der Fälle eine Rockingkurve mit einer
Halbwertsbreite um 50 arcsec und Photolumineszenzkurven mit
einer Halbwertsbreite unterhalb von 3 meV aufweisen.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen
stand der abhängigen Ansprüche.
Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beige
fügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein mit dem erfindungsgemä
ßen Verfahren hergestelltes Quasisubstrat;
Fig. 2 ein Zeitdiagramm, das die Temperaturführung während
des Verfahrens gemäß der Erfindung darstellt; und
Fig. 3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Halbwerts
breiten von Rockingkurven und Photolumineszenzkur
ven von der Sauerstoffkonzentration zeigt.
In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein Quasisubstrat 1 dar
gestellt, das ein Grundsubstrat 2, eine Zwischenschicht 3 und
eine Nutzschicht 4 auf der Basis von GaN aufweist. Bei dem
Grundsubstrat 2 kann es sich um Material aus Saphir oder SiC
handeln. Die Zwischenschicht 3 wird auch Nukleationsschicht
oder Pufferschicht genannt und ist aus einem Nitrid, insbe
sondere aus GaN oder AlN, hergestellt. Gegebenenfalls kommen
noch weitere Elemente aus der Gruppe III, also Elemente der
Haupt- und Nebengruppe III, für die Zwischenschicht 3 in
Frage. Bei der Nutzschicht 4 handelt es sich schließlich vorzugsweise
um Material auf der Basis von GaN und seine Legie
rungen mit InN und AlN.
In Fig. 2 ist der Prozeßablauf der Herstellung des Quasisub
strats 1 dargestellt. Der Prozeßablauf beginnt mit einer Ni
tridierung, bei der das Grundsubstrat 2 bei Temperaturen zwi
schen 950 und 1050°C einem Gasstrom aus NH3 und H2 ausgesetzt
wird. Anschließend erfolgt ein Aufwachsen 6 der Zwischen
schicht 3 durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE)
bei niedrigen Temperaturen zwischen 500 und 800°C. Zu diesem
Zweck werden neben einer metallorganischen Verbindung weitere
Gase wie NH3, N2 und H2 in den Epitaxiereaktor eingeleitet. Um
die Zwischenschicht 3 kontrolliert und reproduzierbar mit
Sauerstoff zu dotieren, wird ein Gasgemisch von 1 Vol% O2 in
N2 beschafft und dieses dem Epitaxiereaktor mit einem Strö
mungsregler mit einem Gasfluß zwischen 0 und 200 sccm (Stan
dardkubikzentimeter/Minute) zugeführt. Der Gasfluß an NH3 be
trug gleichzeitig 1,5 slm (Standardliter/Minute).
Die nachfolgenden Angaben für den Gasfluß an O2 in Einheiten
von sccm beziehen sich auf dem Gasfluß des Gemisches von O2
in N2.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt ein Ausheilen 7
der Zwischenschicht bei Temperaturen zwischen 950 und 1050°C.
Daran schließt sich die Abscheidung 8 der Nutzschicht 4 auf
der Basis von GaN an. Die Abscheidung 8 erfolgt üblicherweise
durch metallorganische Gasphasenepitaxie (MOVPE). Die me
tallorganische Gasphasenepitaxie zum Aufwachsen 6 der Zwi
schenschicht 3 und die metallorganische Gasphasenepitaxie zum
Abscheiden 8 der Nutzschicht 4 werden jeweils bei 100 mbar
durchgeführt.
Die Dicke der Zwischenschicht 3 liegt zwischen 30 und 100 nm.
Die Nutzschicht kann dagegen im Bereich von einigen µm lie
gen.
Mit dem beschriebenen Verfahren wurde eine Reihe von Proben
hergestellt. Nach Abschluß der Abscheidung 8 der Nutzschicht
4 wurden die Proben hinsichtlich der Qualität der Nutzschicht
4 mit Hilfe von optischer Mikroskopie, Tieftemperatur-Photo
lumineszenz und hochauflösender Röntgendiffraktometrie unter
sucht.
Die optische Mikroskopie dient insbesondere der Untersuchung
der Oberflächenbeschaffenheit der Nutzschicht 4. Aufnahmen,
die mit Hilfe eines Nomarski-Interferenzmikroskops entstanden
sind, zeigen, daß bei einem Gasfluß von O2 zwischen 0,5 und
1,5 sccm kaum Rauhigkeiten oder Defekte auftreten, während
ein zu geringer Gasfluß an O2 zur Ausbildung von hexagonalen
Strukturen auf der Oberfläche der Nutzschicht 4 führt. Im Ge
gensatz dazu weist eine Probe, deren Zwischenschicht 3 mit
einem Gasfluß an O2 von 2,5 sccm hergestellt wurde, lediglich
eine Reihe von punktartigen Defekten auf.
In Fig. 3 sind schließlich die Ergebnisse der Untersuchung
durch Tieftemperatur-Photolumineszenz und hochauflösender
Röntgendiffraktometrie zusammengestellt. In Fig. 3 stellen
die Punkte Meßwerte für die Halbwertsbreite des exitonischen
Übergangs dar. Die Dreiecke dagegen stellen die gemessenen
Halbwertsbreiten der Rocking-Kurven des (0002)-Beugungsrefle
xes dar.
Die Halbwertsbreite (FWHM) des exitonischen Übergangs liegt
zwischen 2,3 und 3,5 meV. Insgesamt also bei sehr guten Wer
ten. Dabei gilt bereits eine Halbwertsbreite von weniger als
4 meV, gemessen bei 4,2 Kelvin, als gut. Bei der Halbwerts
breite des exitonischen Übergangs läßt sich allerdings keine
Abhängigkeit vom Gasfluß an O2 feststellen.
Die Halbwertsbreite der Rocking-Kurve zeigt dagegen ein deut
liches Minimum bei einem Gasfluß an O2 von 1 bis 1,5 sccm.
Dieser Gasfluß an O2 entspricht einer auf den Gasfluß an NH3
von 1,5 slm bezogenen relativen Konzentration an Sauerstoff
von 0,0007 bis 0,001 Vol%. In diesem Bereich weisen die Halb
wertsbreiten der Rocking-Kurven sehr gute Werte um 50 arcsec
auf. Bei einem Gasfluß an O2 zwischen 0,5 und 2 sccm, der ei
ner auf den NH3-Fluß bezogenen relativen Konzentration von O2
zwischen 0,0003 und 0,0015 Vol% entspricht, bleibt die Halb
wertsbreite der Rocking-Kurve noch unterhalb dem immer noch
guten Wert von 100 arcsec.
Die Reproduzierbarkeit dieser Ergebnisse ist bemerkenswert
gut. Weitere Messungen ergaben, daß mehr als 80% der Proben
die in den Fig. 3 dargestellten Ergebnisse zeigen.
Ferner wurde untersucht, ob auch während der Nitridierung 5
und dem Ausheilen 7 die Zugabe von Sauerstoff von Vorteil
ist. Das Ergebnis war jedoch, daß sowohl während der Nitri
dierung 5 als auch während des Ausheilens 7 die Zugabe von
Sauerstoff nicht zu einer Verbesserung der Qualität der Nutz
schicht 4 führt.
Während des Abscheidens 8 der Nutzschicht 4 wurde auf jegli
che Zugabe von Sauerstoff verzichtet, da bekannt ist, daß
Sauerstoff als flacher Donator in GaN wirkt und für eine hohe
Hintergrunddotierung sorgt. Die relative Konzentration von
Sauerstoff wurde daher während der Abscheidung 8 der Nutz
schicht 4 auf Werte unterhalb von 0,00005 Vol% reduziert.
Dies entspricht einer Reinheit des restlichen Gases von 5,5 N.
Abschließend ist festzuhalten, daß die Dotierung der Zwi
schenschicht 3 mit Sauerstoff keine Auswirkungen auf die
Leitfähigkeit der Nutzschicht hat. Denn für die Leitfähigkeit
der Nutzschicht wurden keine erhöhten Werte gemessen. Die
Verbesserung in der kristallinen Struktur der Nutzschicht 4
wurde daher bei dem beschriebenen Verfahren nicht durch eine
Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften erkauft.
Das hier beschriebene Verfahren gestattet daher die Herstel
lung von hochwertigen Nutzschichten auf der Basis von GaN auf
Substraten wie Saphir, wobei das Verfahren ungewöhnlich zu
verlässig ist. So lassen sich durch die Anwendung des hier
beschriebenen Verfahrens Nutzschichten 4 auf der Basis von
GaN fertigen, die in mehr als 80% der Fälle eine Rocking
kurve mit einer Halbwertsbreite um 50 arcsec und Photolumi
neszenzkurven mit einer Halbwertsbreite unterhalb von 3 meV
aufweisen.
1
Quasisubstrat
2
Grundsubstrat
3
Zwischenschicht
4
Nutzschicht
5
Nitridierung
6
Aufwachsen Zwischenschicht
7
Ausheilen
8
Abscheidung
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung eines Quasisubstrats (1) mit ei
ner Nutzschicht (4) auf der Basis von GaN und einem Grundsub
strat (2) aus Saphir,
dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Nutzschicht (4) und dem Grundsubstrat (2) eine
Zwischenschicht (3) aus einem mit Sauerstoff dotiertem Nitrid
der Elemente der Gruppe III ausgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
es sich bei dem Nitrid um AlN oder GaN handelt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Zwischenschicht (3) bei Temperaturen zwischen 500 und
800°C aufgewachsen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Konzentration von Sauerstoff in einem zum Aufwachsen der
Zwischenschicht (3) verwendeten Epitaxiereaktor bezogen auf
das verwendete Trägergas oberhalb von 0,0003 Vol% liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Konzentration von Sauerstoff zwischen 0,0007 und 0,001 Vol%
liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach dem Abscheiden der Zwischenschicht (3) ein Ausheilen der
Zwischenschicht (3) bei 1000°C erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberfläche des Grundsubstrats (2) vor dem Abscheiden der
Zwischenschicht (3) durch Nitridieren gereinigt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Nutzschicht (4) durch Epitaxie bei Temperaturen zwischen
950 und 1050°C auf der Zwischenschicht (3) aufgewachsen wird.
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