DE10034263B4

DE10034263B4 - Verfahren zur Herstellung eines Quasisubstrats

Info

Publication number: DE10034263B4
Application number: DE2000134263
Authority: DE
Inventors: Bertram Kuhn; Ferdinand Scholz
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2020-07-15
Also published as: DE10034263A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Quasisubstrats (1) mit einem Grundsubstrat (2) aus Saphir und einer darauf angeordneten Nutzschicht (4) auf der Basis von GaN, mit den Verfahrensschritten:
– Bereitstellen des Grundsubstrats (2),
– Ausbilden einer Zwischenschicht (3) aus einem mit Sauerstoff dotierten Nitrid der Elemente der Gruppe III auf dem Grundsubstrat (2), und
– Aufbringen der Nutzschicht (4) auf der Basis von GaN auf der Zwischenschicht (3).

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 wenigen 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 Basis von GaN herzustellen. Dies ist insofern von Bedeutung, als es noch nicht gelungen ist, Volumenkristalle aus GaN auf wirtschaftlich sinnvolle Weise herzustellen. Der einzig gangbare Weg zur Herstellung von Halbleiterschichtfolgen auf der Basis von GaN stellt daher das Abscheiden von GaN auf Substraten, wie beispielsweise Saphir, dar.
Ein Nachteil des bekannten Verfahrens ist die große Streuung in der Qualität der nach diesem Verfahren hergestellten Bauelemente. Die bekannten Verfahren eignen sich daher nur eingeschränkt für den Einsatz in der Großserienproduktion.
Der Einfluss von Sauerstoffdiffusion in GaN wurde in der Veröffentlichung von S. J. Pearton et al. „Oxygen diffusion into SiO₂-capped GaN during annealing (Appl. Phys. Lett., Vol. 75, No. 19, 1999, S. 2939-2941) untersucht. Dem Einfluss von Mg-Dotierung auf die Bildung von Ga-Vakanzen in GaN-Volumenkristallen ist die Veröffentlichung „The influence of Mg doping an the formation of Ga vacancies and negative ions in GaN bulk crystals" von K. Saarinen et al. (Appl. Phys. Lett., Vol. 75, No. 16, 1999, S. 2441–2443) gewidmet.
Eine Zwischenschicht, die mit n-Dotierstoffen wie Si, Ge, C, Sn, Se oder Te dotiert ist, ist aus der Patentschrift US 5,602,418 A bekannt.
Eine Verbesserung des Schichtwachstums einer AlGaInN-Schicht auf einer Pufferschicht durch Kodotierung der AlGaInN-Schicht beispielsweise mit Sauerstoff und Selen ist in JP 10242586 A beschrieben.
Aus der Druckschrift JP 11135889 A ist bekannt, dass eine Saphiroberfläche durch Sauerstoffimplantation und nachfolgende Temperung so verändert werden kann, dass darauf eine Pufferschicht, die amorphes GaN oder AlN enthält, mit guter Qualität gebildet werden kann.
Ein strahlungsemittierendes Galliumnitrid-Verbindungshalbleiter-Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements ist in der Druckschrift US 5,970,080 A beschrieben.
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 Basis von GaN mit hoher Qualität und Zuverlässigkeit herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Quasisubstrats mit einem Grundsubstrat aus Saphir und einer darauf angeordneten Nutzschicht auf der Basis von GaN gelöst, bei dem das Grundsubstrat bereitgestellt wird. Auf dem Grundsubstrat wird eine Zwischenschicht aus einem mit Sauerstoff dotiertem Nitrid der Elemente der Gruppe III ausgebildet. Auf der Zwischenschicht wird die Nutzschicht auf der Basis von GaN aufgebracht.
Durch die Zugabe von Sauerstoff wird die Zuverlässigkeit des Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich erhöht. 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 56 arcsec und Photolumineszenzkurven mit einer Halbwertsbreite unterhalb von 3 meV aufweisen.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Quasisubstrat;
2 ein Zeitdiagramm, das die Temperaturführung während des Verfahrens gemäß der Erfindung darstellt; und
3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Halbwerts breiten von Rockingkurven und Photolumineszenzkurven von der Sauerstoffkonzentration zeigt.
In 1 ist ein Querschnitt durch ein Quasisubstrat 1 dargestellt, 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, insbesondere 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 vor zugsweise um Material auf der Basis von GaN und seine Legierungen mit InN und AlN.
In 2 ist der Prozeßablauf der Herstellung des Quasisubstrats 1 dargestellt. Der Prozeßablauf beginnt mit einer Nitridierung, bei der das Grundsubstrat 2 bei Temperaturen zwischen 950 und 1050°C einem Gasstrom aus NH₃ und H₂ ausgesetzt wird. Anschließend erfolgt ein Aufwachsen 6 der Zwischenschicht 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 Strömungsregler mit einem Gasfluß zwischen 0 und 200 sccm (Standardkubikzentimeter/Minute) zugeführt. Der Gasfluß an NH₃ betrug 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 metallorganische Gasphasenepitaxie zum Aufwachsen 6 der Zwischenschicht 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 liegen.
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-Photolumineszenz und hochauflösender Röntgendiffraktometrie untersucht.
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 Gegensatz 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 3 sind schließlich die Ergebnisse der Untersuchung durch Tieftemperatur-Photolumineszenz und hochauflösender Röntgendiffraktometrie zusammengestellt. In 3 stellen die Punkte Meßwerte für die Halbwertsbreite des exitonischen Übergangs dar. Die Dreiecke dagegen stellen die gemessenen Halbwertsbreiten der Rocking-Kurven des (0002)-Beugungsreflexes dar.
Die Halbwertsbreite (FWHM) des exitonischen Übergangs liegt zwischen 2,3 und 3,5 meV. Insgesamt also bei sehr guten Werten. Dabei gilt bereits eine Halbwertsbreite von weniger als 4 meV, gemessen bei 4,2 Kelvin, als gut. Bei der Halbwertsbreite des exitonischen Übergangs läßt sich allerdings keine Abhängigkeit vom Gasfluß an O₂ feststellen.
Die Halbwertsbreite der Rocking-Kurve zeigt dagegen ein deutliches 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 Halbwertsbreiten der Rocking-Kurven sehr gute Werte um 50 arcsec auf. Bei einem Gasfluß an O₂ zwischen 0,5 und 2 sccm, der einer auf den NH₃-Fluß bezogenen relativen Konzentration von O₂ zwischen 0,0003 und 0,0015 Vol% entspricht, bleibt die Halbwertsbreite 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 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 Nitridierung 5 als auch während des Ausheilens 7 die Zugabe von Sauerstoff nicht zu einer Verbesserung der Qualität der Nutzschicht 4 führt.
Während des Abscheidens 8 der Nutzschicht 4 wurde auf jegliche 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 Nutzschicht 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 Zwischenschicht 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 Herstellung von hochwertigen Nutzschichten auf der Basis von GaN auf Substraten wie Saphir, wobei das Verfahren ungewöhnlich zuverlässig 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 Rockingkurve mit einer Halbwertsbreite um 50 arcsec und Photolumineszenzkurven mit einer Halbwertsbreite unterhalb von 3 meV aufweisen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Quasisubstrats (1) mit einem Grundsubstrat (2) aus Saphir und einer darauf angeordneten Nutzschicht (4) auf der Basis von GaN, mit den Verfahrensschritten: – Bereitstellen des Grundsubstrats (2), – Ausbilden einer Zwischenschicht (3) aus einem mit Sauerstoff dotierten Nitrid der Elemente der Gruppe III auf dem Grundsubstrat (2), und – Aufbringen der Nutzschicht (4) auf der Basis von GaN auf der Zwischenschicht (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Nitrid um AlN oder GaN handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) bei Temperaturen zwischen 500 und 800°C aufgewachsen wird.
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.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration von Sauerstoff zwischen 0,0007 und 0,001 Vol% liegt.
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.
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.
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.