DE102021131794A1

DE102021131794A1 - Verfahren zur herstellung einer halbleiterstruktur und halbleiterstruktur

Info

Publication number: DE102021131794A1
Application number: DE102021131794.0A
Authority: DE
Inventors: Jens Ebbecke
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2021-12-02
Filing date: 2021-12-02
Publication date: 2023-06-07
Also published as: WO2023099396A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eine Halbleiterstruktur (15) mit den folgenden Schritten angegeben:- Bereitstellen eines Wachstumssubstrats (1),- epitaktisches Abscheiden einer InGaN-Halbleiterschicht (2), die InGaN aufweist über oder auf dem Wachstumssubstrat (1),- epitaktisches Abscheiden einer weiteren Halbleiterschicht (4) auf der InGaN-Halbleiterschicht (2), wobei die weitere Halbleiterschicht (4) eines der folgenden Materialien aufweist: AlN, AlGaN, GaN,- Erzeugen einer Vorstruktur (10) zumindest in der weiteren Halbleiterschicht (4), wobei Seitenflächen (11) der Vorstruktur (10) zumindest teilweise entlang einer m-Ebene (9) einer Kristallstruktur der weiteren Halbleiterschicht (4) ausgebildet werden,- nasschemisches Ätzen der Vorstruktur (10), wobei eine Ätzrate in der weiteren Halbleiterschicht (4) entlang einer a-Ebene (8) der Kristallstruktur der weiteren Halbleiterschicht (4) größer ist als entlang der m-Ebene (9).Außerdem wird eine Halbleiterstruktur angegeben.

Description

Es werden ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur und eine Halbleiterstruktur angegeben.
Es soll ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur angegeben werden. Insbesondere soll ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer photonischen Halbleiterstruktur angegeben werden, die nicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung vorgesehen und eingerichtet ist. Weiterhin soll eine verbesserte Halbleiterstruktur, angegeben werden, die insbesondere nicht zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung vorgesehen und eingerichtet ist.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 1 und durch eine Halbleiterstruktur mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens und der Halbleiterstruktur sind jeweils in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterstruktur wird ein Wachstumssubstrat bereitgestellt. Insbesondere ist das Wachstumssubstrat zur epitaktischen Abscheidung eines Halbleitermaterials geeignet. Hierzu weist das Wachstumssubstrat die gleiche oder eine ähnliche Gitterkonstante auf wie das Halbleitermaterial, das auf dem Wachstumssubstrat abgeschieden werden soll.
Insbesondere ist das Wachstumssubstrat einkristallin ausgebildet. Beispielsweise weist das Wachstumssubstrat Galliumnitrid, Saphir oder Silizium auf oder besteht aus einem dieser Materialien.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist das Wachstumssubstrat eine hexagonale Kristallstruktur auf. In der Regel wird das abzuscheidende Material auf einer c-Ebene ({0001}-Ebene) des Wachstumssubstrats epitaktisch abgeschieden. Die auf dem Wachstumssubstrat epitaktisch abgeschiedenen Halbleiterschichten weisen die gleiche Kristallstruktur und die gleiche Ausrichtung der Kristallstruktur auf wie das Wachstumssubstrat. Lediglich die Gitterkonstanten der epitaktisch abgeschiedenen Halbleiterschichten können sich je nach Materialzusammensetzung voneinander und/oder von der Gitterkonstante des Wachstumssubstrats unterscheiden.
Insbesondere ist das Wachstumssubstrat für die epitaktische Abscheidung eines Nitrid-Verbindungshalbleitermaterials vorgesehen und eingerichtet. Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien sind Verbindungshalbleitermaterialien, die Stickstoff enthalten, wie die Materialien aus dem System In_xAl_yGa_1-x-yN mit 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1 und x+y ≤ 1.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine InGaN-Halbleiterschicht epitaktisch über oder auf dem Wachstumssubstrat abgeschieden. Die InGaN-Halbleiterschicht weist InGaN auf oder besteht aus InGaN. Insbesondere basiert die InGaN-Halbleiterschicht ebenfalls auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wobei Indium von der InGaN-Halbleiterschicht umfasst ist. Mit anderen Worten weist die InGaN-Halbleiterschicht ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial gemäß der oben genannten Formel In_xAl_yGa_1-x-yN auf oder besteht aus einem solchen Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wobei x ungleich Null ist.
Der Begriff „über oder auf“ bedeutet vorliegend, dass die beiden so zueinander in Bezug gesetzten Elemente nicht notwendigerweise in direktem physikalischen Kontakt miteinander stehen müssen. Vielmehr können weitere Elemente dazwischen angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine weitere Halbleiterschicht auf der InGaN-Halbleiterschicht epitaktisch abgeschieden. Die weitere Halbleiterschicht steht hierbei in direktem Kontakt mit der InGaN-Halbleiterschicht. Mit anderen Worten weisen die weitere Halbleiterschicht und die InGaN-Halbleiterschicht eine gemeinsame Grenzfläche auf. Insbesondere weist die weitere Halbleiterschicht eines der folgenden Materialien auf oder besteht aus einem der folgenden Materialien: AlN, AlGaN, GaN. Insbesondere basiert die weitere Halbleiterschicht auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, das bevorzugt frei von Indium ist. Mit anderen Worten weist die weitere Halbleiterschicht ein Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial gemäß der oben genannten Formel In_xAl_yGa_1-x-yN auf oder besteht aus einem solchen Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial, wobei x gleich Null ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird eine Vorstruktur zumindest in der weiteren Halbleiterschicht erzeugt, wobei Seitenflächen der Vorstruktur zumindest teilweise entlang einer m-Ebene ({1100}-Ebene) einer Kristallstruktur der weiteren Halbleiterschicht ausgebildet werden. Die Kristallstruktur der weiteren Halbleiterschicht ist hierbei entsprechend der Kristallstruktur des Wachstumssubstrats ausgebildet und ist insbesondere hexagonal.
Insbesondere weisen das Wachstumssubstrat, die InGaN-Halbleiterschicht und die weitere Halbleiterschicht in der Regel die gleiche Kristallstruktur auf, insbesondere eine hexagonale Kristallstruktur. Außerdem ist auch die Orientierung der Kristallstruktur des Wachstumssubstrats, der weiteren Halbleiterschicht und der InGaN-Halbleiterschicht gleich. Wird die InGaN-Halbleiterschicht auf einer c-Ebene des Wachstumssubstrats epitaktisch gewachsen, so sind auch eine Hauptfläche der InGaN-Halbleiterschicht und eine Hauptfläche der weiteren Halbleiterschicht als c-Ebene ausgebildet. Die Gitterkonstanten des Wachstumssubstrats, der InGaN-Halbleiterschicht und der weiteren Halbleiterschicht unterscheiden sich jedoch im Falle unterschiedlicher Halbleitermaterialien.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die durch trockenchemisches Ätzen erzeugte Vorstruktur in der weiteren Halbleiterschicht nasschemisch geätzt, wobei eine Ätzrate in der weiteren Halbleiterschicht entlang einer a-Ebene ({1120}-Ebene) der Kristallstruktur der weiteren Halbleiterschicht größer ist als entlang der m-Ebene der weiteren Halbleiterschicht. Mit anderen Worten erfolgt das nasschemische Ätzen der Vorstruktur selektiv hinsichtlich der Kristallebenen der weiteren Halbleiterschicht.
Beispielsweise ist die Ätzrate in der weiteren Halbleiterschicht entlang der a-Ebene 10-mal bis 100000-mal, insbesondere 100-mal bis 10000-mal größer als entlang der m-Ebene.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

- Bereitstellen eines Wachstumssubstrats,
- epitaktisches Abscheiden einer InGaN-Halbleiterschicht, die InGaN aufweist über oder auf dem Wachstumssubstrat,
- epitaktisches Abscheiden einer weiteren Halbleiterschicht auf der InGaN-Halbleiterschicht, wobei die weitere Halbleiterschicht eines der folgenden Materialien aufweist:
- AlN, AlGaN, GaN,
- Erzeugen einer Vorstruktur zumindest in der weiteren Halbleiterschicht, wobei Seitenflächen der Vorstruktur zumindest teilweise entlang einer m-Ebene einer Kristallstruktur der weiteren Halbleiterschicht ausgebildet werden,
- nasschemisches Ätzen der Vorstruktur, wobei eine Ätzrate in der weiteren Halbleiterschicht entlang einer a-Ebene der Kristallstruktur der weiteren Halbleiterschicht größer ist als entlang der m-Ebene.

Bevorzugt werden die angegebenen Schritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens reicht die Vorstruktur bis in die InGaN-Halbleiterschicht. Insbesondere kann die Vorstruktur die InGaN-Halbleiterschicht auch vollständig durchdringen. Beispielsweise erstreckt sich die Vorstruktur von der ersten Hauptfläche der InGaN-Halbleiterschicht entlang einer Stapelrichtung der epitaktischen Halbleiterschichten in die weitere Halbleiterschicht und durch diese hindurch.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Vorstruktur durch ein trockenchemisches Ätzverfahren, wie beispielsweise reaktivem Ionenätzen (kurz RIE für englisch: „reactive ion etching“), erzeugt. Die durch das trockenchemische Ätzverfahren erzeugte Vorstruktur weist in der Regel vergleichsweise raue Seitenflächen auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden bei dem nasschemischen Ätzen die InGaN-Halbleiterschicht und die weitere Halbleiterschicht gleichzeitig geätzt. Insbesondere werden bei dem nasschemischen Ätzen die InGaN-Halbleiterschicht und die weitere Halbleiterschicht gleichzeitig geätzt, wenn sich die Vorstruktur bis in die InGaN-Halbleiterschicht erstreckt. Bei dem nasschemischen Ätzen bildet sich aus der Vorstruktur die fertige Halbleiterstruktur aus.
Eine Idee der vorliegenden Anmeldung ist es, zur Erzeugung einer verbesserten Halbleiterstruktur, zunächst die Vorstruktur in der weiteren Halbleiterschicht und insbesondere der InGaN-Halbleiterschicht zu erzeugen, beispielsweise durch trockenchemisches Ätzen und die Oberfläche der Vorstruktur in einem weiteren Schritt durch nasschemisches Ätzen zu glätten. Bei dem nasschemischen Ätzen weist insbesondere die Ätzrate entlang der a-Ebene der Kristallstruktur des geätzten Halbleitermaterials einen größeren Wert auf als entlang der m-Ebene der Kristallstruktur des geätzten Halbleitermaterials. So werden insbesondere die Oberflächen der Vorstruktur, die entlang der m-Ebene verlaufen, möglichst atomar glatt ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die InGaN-Halbleiterschicht mit elektromagnetischer Strahlung während dem nasschemischen Ätzen bestrahlt. Reicht die Vorstruktur bis in die InGaN-Halbleiterschicht, so wird insbesondere die Vorstruktur mit der elektromagnetischen Strahlung während dem nasschemischen Ätzen bestrahlt. Durch die Bestrahlung bilden sich Ladungsträger in der InGaN-Halbleiterschicht, sodass eine Ätzrate in der InGaN-Halbleiterschicht beim nasschemischen Ätzen gegenüber einer Ätzrate in der weiteren Halbleiterschicht erhöht wird. Beispielsweise erhöht sich durch die Bestrahlung die Ätzrate sowohl entlang der a-Ebene als auch entlang der m-Ebene.
Mit Hilfe der Bestrahlung mit der elektromagnetischen Strahlung kann eine Ladungsträgerdichte innerhalb des zu ätzenden Halbleitermaterials auf geeignete Art und Weise eingestellt und insbesondere erhöht werden, sodass die nasschemische Ätzung optimiert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist eine Energie der elektromagnetischen Strahlung, mit der die InGaN-Halbleiterschicht während dem nasschemischen Ätzen bestrahlt wird, größer als eine Bandlücke des Halbleitermaterials der InGaN-Halbleiterschicht und kleiner als eine Bandlücke des Halbleitermaterials der weiteren Halbleiterschicht.
Beispielsweise wird die InGaN-Halbleiterschicht mit einem Laser mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, insbesondere mit einem aufgefächerten Laser. Ein Laser bietet den Vorteil, elektromagnetische Strahlung mit einer vergleichsweise gut definierten elektromagnetischen Strahlung zu erzeugen. Insbesondere erzeugt der Laser in der Regel monochromatisches Licht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens entstehen bei dem nasschemischen Ätzen der Vorstruktur aus der InGaN-Halbleiterschicht freitragende Säulen, die eine sechseckige Struktur aus der weiteren Halbleiterschicht tragen.
Beispielsweise wird bei dem nasschemischen Ätzen zumindest eines der folgenden Materialien als Ätze verwendet: Tetrametylammoniumhydroxid (TMAH), KOH.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist die InGaN-Halbleiterschicht und/oder die weitere Halbleiterschicht eine Dicke zwischen einschließlich 10 Nanometer und einschließlich 2000 Nanometer auf. Besonders bevorzugt weist die InGaN-Halbleiterschicht und/oder die weitere Halbleiterschicht eine Dicke zwischen einschließlich 100 Nanometer und einschließlich 900 Nanometer auf.
Das hier beschriebene Verfahren ist dazu vorgesehen und eingerichtet, eine Halbleiterstruktur zu erzeugen. Sämtliche Merkmale und Ausführungsformen, die vorliegend in Verbindung mit dem Verfahren beschrieben sind, können daher auch bei der Halbleiterstruktur ausgebildet sein und umgekehrt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Halbleiterstruktur eine Struktur auf, die eines der folgenden Materialien aufweist oder aus einem der folgenden Materialien besteht: AlN, AlGaN, GaN. Insbesondere ist die Struktur aus einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial gebildet, das frei ist von Indium. Mit anderen Worten gehorcht das Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial der Struktur der Formel In_xAl_yGa_1-x-yN, wobei x = 0.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Halbleiterstruktur Säulen, die die Struktur tragen und mit einem Substrat mechanisch stabil verbunden sind. Insbesondere stehen die Säulen in direktem Kontakt mit der Struktur. Die Struktur und die Säulen sind jeweils aus in Richtung einer Stapelrichtung epitaktisch gewachsenen Halbleiterschichten gebildet. Die Säulen weisen insbesondere eine Haupterstreckungsrichtung in Richtung der Stapelrichtung der epitaktischen Halbleiterschichten auf. Die Säulen weisen insbesondere InGaN auf oder bestehen aus InGaN und stehen mit der Struktur in direktem Kontakt.
Bei dem Substrat kann es sich um ein Wachstumssubstrat der Struktur und/oder der Säulen handeln. Es ist aber auch möglich, dass das Substrat ein aktives, lichterzeugendes Halbleiterbauelement ist, beispielsweise eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode. In diesem Fall können die Halbleiterstruktur und das aktive, lichterzeugende Halbleiterbauelement monolithisch integriert sein. Weiterhin kann die Halbleiterstruktur auch in einen Transistor monolithisch integriert sein.
Insbesondere sind die Säulen zwischen der Struktur und dem Wachstumssubstrat angeordnet. Bei dem Wachstumssubstrat handelt es sich um ein Wachstumssubstrat für das Halbleitermaterial der Struktur und/oder der Säulen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur sind Seitenflächen der Struktur zumindest teilweise entlang einer m-Ebene einer Kristallstruktur der Struktur ausgebildet. Insbesondere verlaufen die Seitenflächen entlang der Stapelrichtung der epitaktischen Schichten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Halbleiterstruktur eine Struktur, die AlN, AlGaN und/oder GaN aufweist, sowie Säulen, die die Struktur tragen und mit einem Wachstumssubstrat mechanisch stabil verbinden, wobei die Säulen InGaN aufweisen und mit der Struktur in direktem Kontakt stehen, und Seitenflächen der Struktur zumindest teilweise entlang einer m-Ebene einer Kristallstruktur der Struktur ausgebildet sind.
Insbesondere handelt es sich bei der Struktur um eine passive Struktur, die nicht zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung vorgesehen und ausgebildet ist. Die Struktur ist daher bevorzugt frei von einer aktiven Schicht, die zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet und vorgesehen ist.
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der Struktur um eine photonische Struktur. Beispielsweise ist die Struktur von einer photonischen integrierten Schaltung umfasst. Mit dem Begriff „photonische Struktur“ ist vorliegend insbesondere gemeint, dass die Struktur photonisch wirksam ist, das heißt, dass sie auf Photonen wirkt. Beispielsweise ist die photonische Struktur zur Wellenleitung elektromagnetischer Strahlung geeignet.
Beispielsweise basiert die Halbleiterstruktur auf einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial oder ist durch ein oder mehrere Nitrid-Verbindungshalbleitermaterialien gebildet.
Bevorzugt ist die Struktur lediglich durch die Säulen mit dem Substrat mechanisch verbunden, während Bereiche, die zwischen den Säulen angeordnet und in Stapelrichtung durch das Substrat und die Struktur begrenzt sind, mit Luft gefüllt sind. So kann die Struktur besonders gut von dem Substrat optisch entkoppelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur sind die Seitenflächen der Struktur zumindest teilweise, bevorzugt vollständig atomar glatt ausgebildet. Insbesondere ist es mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens möglich, eine Struktur mit weitestgehend atomar glatten Seitenflächen zu erzielen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur sind auch Hauptflächen der Struktur atomar glatt ausgebildet. Die Hauptflächen der Struktur weisen die Stapelrichtung als Flächennormale auf. Eine atomar glatte Ausbildung der Seitenflächen und/oder der Hauptflächen der Struktur führen insbesondere zu einer besonders guten photonischen Funktion der Struktur.
Beispielsweise handelt es sich bei der Struktur um einen Ringresonator. Ein Ringresonator ist beispielsweise bei einer Laserdiode als Resonator zur Ausbildung einer stehenden Welle elektromagnetischer Strahlung in einem laseraktiven Medium eingesetzt. Die Struktur kann in diesem Fall mit den Säulen mit einem laseraktiven Medium als Substrat mechanisch verbunden und insbesondere monolithisch integriert sein.
Elektromagnetische Strahlung, beispielsweise von einem laseraktiven Medium, das in dem Ringresonator geführt wird, wird insbesondere an den Seitenflächen der Struktur, die entlang der m-Ebene verlaufen, reflektiert und durch den Brechungsindexsprung an den Hauptflächen zwischen Halbleitermaterial und Umgebungsluft geführt.
Beispielsweise weist die Struktur in Draufsicht eine geschlossene Ringform auf. Insbesondere kann es sich bei der geschlossenen Ringform um einen geschlossenen Ring mit einer sechseckigen Form handeln. Die Struktur ist hierbei bevorzugt an jeder Ecke des Sechsecks mit einer Säule mit dem Substrat mechanisch verbunden. Eine solche Struktur ist insbesondere als Ringresonator geeignet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Halbleiterstruktur ist die Struktur zur Leitung von elektromagnetischer Strahlung eingerichtet, die in die Struktur eingekoppelt ist. Mit anderen Worten ist die Struktur als Wellenleiter zur Leitung elektromagnetischer Strahlung ausgebildet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Halbleiterstruktur und des Verfahrens zu seiner Herstellung ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Die 1 bis 8 zeigen schematische Darstellungen von Stadien eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbleiterstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbleiterstruktur gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
11 zeigt exemplarisch eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Halbleiterstruktur.

Gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Figuren und die Größenverhältnisse der in den Figuren dargestellten Elemente untereinander sind nicht als maßstäblich zu betrachten. Vielmehr können einzelne Elemente, insbesondere Schichtdicken, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Bei dem Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 8 wird zunächst in einem ersten Schritt ein Wachstumssubstrat 1 bereitgestellt (1). Das Wachstumssubstrat 1 ist zum epitaktischen Abscheiden einer Halbleiterschichtenfolge eingerichtet. Insbesondere ist das Wachstumssubstrat 1 zum epitaktischen Wachstum eines Nitrid-Verbindungshalbleitermaterials eingerichtet. Beispielsweise handelt es sich bei dem Wachstumssubstrat 1 um Galliumnitrid, Saphir oder Silizium.
In einem weiteren Schritt wird eine InGaN-Halbleiterschicht 2 auf dem Wachstumssubstrat 1 epitaktisch abgeschieden. Vorliegend wird die InGaN-Halbleiterschicht 2 in direktem Kontakt auf einer Hauptfläche 3 des Wachstumssubstrats 1 epitaktisch abgeschieden. Die InGaN-Halbleiterschicht 2 weist hierbei InGaN auf oder ist aus InGaN gebildet. Insbesondere ist die InGaN-Halbleiterschicht 2 aus einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial gebildet, das Indium aufweist.
In einem weiteren Schritt wird in direktem Kontakt auf die InGaN-Halbleiterschicht 2 eine weitere Halbleiterschicht 4 epitaktisch abgeschieden (2). Die weitere Halbleiterschicht 4 weist eines der folgenden Materialien auf oder besteht aus einem der folgenden Materialien: AlN, AlGaN, GaN. Im Unterschied zu der InGaN-Halbleiterschicht 2 ist die weitere Halbleiterschicht 4 aus einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial gebildet, das frei von Indium ist.
Das Wachstumssubstrat 1, die InGaN-Halbleiterschicht 2 und die weitere Halbleiterschicht 4 weisen eine hexagonale Kristallstruktur auf. Insbesondere weist die Hauptfläche 3 des Wachstumssubstrats, auf oder über der die InGaN-Halbleiterschicht 2 epitaktisch abgeschieden wird, eine c-Ebene ({0001}-Ebene) 5 auf. Auch eine Hauptfläche 6 der InGaN-Halbleiterschicht 2 und eine Hauptfläche 7 der weiteren Halbleiterschicht sind jeweils als c-Ebene 5 ausgebildet.
Eine Einheitszelle der hexagonalen Kristallstruktur ist beispielhaft in 3 gezeigt. Die Einheitszelle der hexagonalen Kristallstruktur weist eine c-Ebene ({0001}-Ebene) 5, eine a-Ebene ({1120}-Ebene) 8 und eine m-Ebene ({1100}-Ebene) 9 auf. Die a-Ebene 8 verläuft innerhalb der Einheitszelle.
In einem weiteren Schritt wird eine Vorstruktur 10 in der InGaN-Halbleiterschicht 2 und in der weiteren Halbleiterschicht 4 und der InGaN-Halbleiterschicht erzeugt, wobei Seitenflächen 11 der Vorstruktur 10 zumindest teilweise entlang der m-Ebene 9 der Kristallstruktur InGaN-Halbleiterschicht 2 und der weiteren Halbleiterschicht 4 ausgebildet werden (4). Insbesondere wird die Vorstruktur 10 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch ein trockenchemisches Ätzverfahren, beispielsweise durch reaktives Ionenätzen, erzeugt. Hierbei werden die Seitenflächen 11 der Vorstruktur 10 rau ausgebildet ( 6) .
Die Vorstruktur 10 erstreckt sich vorliegend vollständig durch die InGaN-Halbleiterschicht 2 und die weitere Halbleiterschicht 4 bis zu dem Wachstumssubstrat 1 (5). Die Vorstruktur 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 5 ist in Draufsicht auf das Wachstumssubstrat 1 ringförmig ausgebildet. Insbesondere ist die Vorstruktur 10 als geschlossener Ring mit in Draufsicht gleichmäßiger sechseckiger Form ausgebildet. Ein Winkel α zwischen jeweils direkt benachbarten Schenkeln 22 der sechseckigen Vorstruktur 10 beträgt vorliegend 120°. Die Seitenflächen 11 der Vorstruktur 10 verlaufen entlang der m-Ebene 9 der hexagonalen Kristallstruktur der InGaN-Halbleiterschicht 2 und der weiteren Halbleiterschicht 4.
Die Vorstruktur 10 ist vorliegend aus Material der weiteren Halbleiterschicht 4 und der InGaN-Halbleiterschicht 2 gebildet, wobei das Material der weiteren Halbleiterschicht 4 die InGaN-Halbleiterschicht 2 vollständig bedeckt. Insbesondere ist die Hauptfläche 6 der InGaN-Halbleiterschicht 4 der Vorstruktur 10 vollständig mit dem Material der weiteren Halbleiterschicht 4 bedeckt.
In einem weiteren Schritt wird die Vorstruktur 10 mit einer Ätze 12 nasschemisch geätzt (7). Bei dem nasschemischen Ätzen ist eine Ätzrate in der weiteren Halbleiterschicht 4 entlang der a-Ebene 8 der Kristallstruktur der weiteren Halbleiterschicht 4 größer als entlang der m-Ebene 9. Dadurch werden die Seitenflächen 11 der Vorstruktur 10, die entlang der m-Ebene 8 verlaufen, atomar glatt ausgebildet. Beispielsweise wird bei dem nasschemischen Ätzen TMAH und/oder KOH als Ätze 12 verwendet.
Bei dem nasschemischen Ätzen wird die Vorstruktur 10 gleichzeitig mit elektromagnetischer Strahlung 13, die beispielsweise durch einen Laser erzeugt wird, bestrahlt. Hierdurch werden in der InGaN-Halbleiterschicht 2 Ladungsträger erzeugt, sodass eine Ätzrate in der InGaN-Halbleiterschicht 2 gegenüber der weiteren Halbleiterschicht 4 erhöht ist. Dadurch bilden sich beim nasschemischen Ätzen Säulen 14 an den Ecken der ringförmigen Vorstruktur 10 aus, die mit dem Wachstumssubstrat 1 mechanisch stabil verbunden sind. Die Säulen 14 bilden sich an den Ecken der Vorstruktur 10, da hier eine etwas größere Breite der Vorstruktur 10 vorliegt.
Bei dem vorliegenden Verfahren werden durch die gleichzeitig stattfindende nasschemische Ätzung mit der Ätze 12 und die Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung 13 sowohl atomar glatte Seitenflächen 11 der Vorstruktur 10 als auch Säulen 14 aus dem indiumhaltigen Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial der InGaN-Halbleiterschicht 2 erzeugt (8).
Die Halbleiterstruktur 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 9 weist ein Substrat 16 auf. Das Substrat 16 umfasst vorliegend ein laseraktives Medium, beispielsweise eine aktive, zur Strahlungserzeugung geeignete epitaktisch gewachsene Schicht 17. Die aktive Schicht 17 umfasst beispielsweise einen pn-Übergang, eine Doppelheterostruktur, einen Einfach-Quantentopf oder besonders bevorzugt eine Mehrfach-Quantentopfstruktur (MQW) zur Erzeugung elektromagnetischer Strahlung. Die Bezeichnung Quantentopfstruktur beinhaltet hierbei keine Angabe über die Dimension der Quantisierung. Sie umfasst somit unter anderem Quantentröge, Quantendrähte und Quantenpunkte und jede Kombination dieser Strukturen.
Auf einer Hauptfläche 18 des Substrats 16 ist weiterhin eine Struktur 19 angeordnet, die mit dem Substrat 16 über Säulen 14 mechanisch stabil verbunden ist. Die Säulen 14 stehen hierbei sowohl mit der Struktur 19 als auch mit dem Substrat 16 in direktem Kontakt. Die Struktur 19 ist insbesondere aus einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial gebildet, das frei von Indium ist. Beispielsweise ist die Struktur 19 aus einem oder mehreren der folgenden Materialien gebildet: AlN, AlGaN, GaN.
Die Struktur 19 ist vorliegend ringförmig mit einer in Draufsicht gleichmäßigen sechseckigen Grundform gebildet. An jeder Ecke ist die sechseckige Struktur 19 mit einer Säule 14 mit dem Substrat 16 mechanisch stabil verbunden. Bereiche 20 zwischen jeweils zwei direkt benachbarten Säulen 14, die durch die Struktur 19 und das Substrat 16 begrenzt sind, sind mit Luft gefüllt.
Die Struktur 19 ist vorliegend nicht zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung ausgebildet. Die Struktur 19 dient insbesondere als Ringresonator für elektromagnetische Strahlung, die in der aktiven Schicht 17 des Substrats 16 erzeugt wird. Da die Struktur 19 lediglich über die Säulen 14 an den Ecken mit dem Substrat 19 verknüpft ist, ist eine besonders gute optische Entkopplung zwischen dem Substrat 16 und der Struktur 19 gewährleistet. Weiterhin weist die Struktur 19 an Seitenflächen 21, die entlang der m-Ebene der Kristallstruktur der Struktur 19 ausgerichtet sind, atomar glatte Oberflächen auf. So kann eine Reflexion von in die Struktur 19 eingekoppelter elektromagnetischer Strahlung besonders effizient und weitestgehend ohne Strahlungsverlust an den Seitenflächen 21 erfolgen. Die Reflexion an den Seitenflächen 21 führt zur Ausbildung einer stehenden Welle eingekoppelter elektromagnetischer Strahlung in der ringförmigen Struktur 19. Die Güte des Ringresonators ist also aufgrund der kristallografisch glatten m-Ebenen 9 der Seitenflächen 21 erhöht. Die als Ringresonator ausgebildete Struktur 19 ist weiterhin nahezu freitragend.
Die Halbleiterstruktur 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 10 weist ein Substrat 16 auf, das vorliegend als Wachstumssubstrat 1 für epitaktisch gewachsene Säulen 14 und eine epitaktisch gewachsene Struktur 19 ausgebildet ist. Die Säulen 14 verbinden die Struktur 19 vorliegend mechanisch stabil mit dem Wachstumssubstrat 1. Insbesondere ist die Struktur 19 vorliegend zur Leitung von elektromagnetischer Strahlung, die in die Struktur 19 eingekoppelt ist, eingerichtet. Beispielsweise kann die Halbleiterstruktur 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 10 Teil eines photonischen Schaltkreises sein. Weiterhin kann die Struktur 19 der 10 auch auf dem Substrat 16 der Halbleiterstruktur 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 9 angeordnet sein. Weiterhin kann die als Wellenleiter ausgebildete Struktur 19 der 10 auch an die als Ringresonator ausgebildete Struktur 19 der 9 angebunden sein.
Die Struktur 19 ist vorliegend aus einem Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial gebildet, das frei von Indium ist. Die Struktur 19 umfasst vorliegend geradlinig ausgebildete Schenkel 22, die entlang von Gitterebenen der hexagonalen Kristallstruktur des Nitrid-Verbindungshalbleitermaterials verlaufen. Schenkel 22 der Struktur 19 sind zickzackförmig angeordnet. Ein Winkel α zwischen zwei direkt benachbarten geradlinigen Schenkel 22 der Struktur 19 weist vorliegend einen Wert von ungefähr 120° auf. Mit anderen Worten ist die als Wellenleiter ausgebildete Struktur 19 gemäß der 10 in einer sechseckigen Zickzackform ausgeführt. Im Unterschied zu der Halbleiterstruktur 15 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 9 ist die Struktur 19 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 10 nicht geschlossen.
An den Ecken ist die zickzackförmige Struktur 19 durch Säulen 14 mit dem Wachstumssubstrat 1 mechanisch stabil verbunden. Die Säulen 14 sind vorliegend durch ein indiumhaltiges Nitrid-Verbindungshalbleitermaterial gebildet. Bereiche 20 zwischen zwei direkt benachbarten Säulen 14, die durch eine Hauptfläche der Struktur 19 und eine Hauptfläche 3 des Wachstumssubstrats 1 begrenzt sind, sind vorliegend mit Luft gefüllt. Die wellenleitende Struktur 19 gemäß der 10 ist daher nahezu freitragend ausgebildet und lediglich durch die Säulen 14 an den Ecken mechanisch gestützt.
Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme gemäß der 11 zeigt eine nasschemisch geätzte m-Ebene 8 einer weiteren Halbleiterschicht 4, die GaN aufweist, und einer InGaN-Halbleiterschicht 2, die in direktem Kontakt miteinander angeordnet sind. Die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt zum einen, dass die m-Ebene 8 der weiteren Halbleiterschicht 4 und der InGaN-Halbleiterschicht 2 kristallografisch glatt ist und zum anderen, dass die InGaN-Halbleiterschicht 2 eine erhöhte Ätzrate beim nasschemischen Ätzen aufwies, da die InGaN-Halbleiterschicht 2 zurückgezogen ist. Die InGaN-Halbleiterschicht 2 wurde unter Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung 13 geätzt.
Die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind. Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Wachstumssubstrat
2: InGaN-Halbleiterschicht
3: Hauptfläche des Wachstumssubstrats
4: weitere Halbleiterschicht
5: c-Ebene
6: Hauptfläche der InGaN-Halbleiterschicht
7: Hauptfläche der weiteren Halbleiterschicht
8: a-Ebene
9: m-Ebene
10: Vorstruktur
11: Seitenfläche der Vorstruktur
12: Ätze
13: elektromagnetische Strahlung
14: Säule
15: Halbleiterstruktur
16: Substrat
17: aktive Schicht
18: Hauptfläche des Substrats
19: Struktur
20: Bereich
21: Seitenfläche der Struktur
22: Schenkel
α: Winkel

Claims

Verfahren zur Herstellung eine Halbleiterstruktur (15) mit den folgenden Schritten: - Bereitstellen eines Wachstumssubstrats (1), - epitaktisches Abscheiden einer InGaN-Halbleiterschicht (2), die InGaN aufweist über oder auf dem Wachstumssubstrat (1), - epitaktisches Abscheiden einer weiteren Halbleiterschicht (4) auf der InGaN-Halbleiterschicht (2), wobei die weitere Halbleiterschicht (4) eines der folgenden Materialien aufweist: AlN, AlGaN, GaN, - Erzeugen einer Vorstruktur (10) zumindest in der weiteren Halbleiterschicht (4), wobei Seitenflächen (11) der Vorstruktur (10) zumindest teilweise entlang einer m-Ebene (9) einer Kristallstruktur der weiteren Halbleiterschicht (4) ausgebildet werden, - nasschemisches Ätzen der Vorstruktur (10), wobei eine Ätzrate in der weiteren Halbleiterschicht (4) entlang einer a-Ebene (8) der Kristallstruktur der weiteren Halbleiterschicht (4) größer ist als entlang der m-Ebene (9).
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Vorstruktur (10) bis in die InGaN-Halbleiterschicht (2) reicht.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Vorstruktur (10) durch ein trockenchemisches Ätzverfahren erzeugt wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem bei dem nasschemischen Ätzen gleichzeitig die InGaN-Halbleiterschicht (2) und die weitere Halbleiterschicht (4) geätzt werden.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die InGaN-Halbleiterschicht (2) während dem nasschemischen Ätzen mit elektromagnetischer Strahlung (13) bestrahlt wird, so dass sich Ladungsträger in der InGaN-Halbleiterschicht (2) bilden und eine Ätzrate in der InGaN-Halbleiterschicht (2) beim nasschemischen Ätzen erhöht wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem eine Energie der elektromagnetischen Strahlung (13) größer ist als eine Bandlücke des Halbleitermaterials der InGaN-Halbleiterschicht (2) und kleiner als eine Bandlücke des Halbleitermaterials der weiteren Halbleiterschicht (4).
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, bei dem die InGaN-Halbleiterschicht (2) mit einem Laser bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüchen, bei dem bei dem nasschemischen Ätzen der Vorstruktur (10) aus der InGaN-Halbleiterschicht (2) freitragende Säulen (14) entstehen, die eine sechseckige Struktur (19) aus der weiteren Halbleiterschicht (4) tragen.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem bei dem nasschemischen Ätzen zumindest eines der folgenden Materialien als Ätze (12) verwendet wird: Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), KOH.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die InGaN-Halbleiterschicht (2) und/oder die weitere Halbleiterschicht (4) eine Dicke zwischen einschließlich 10 Nanometer und einschließlich 2000 Nanometer aufweist.
Halbleiterstruktur (15) mit: - einer Struktur (19), die eines der folgenden Materialien aufweist: AlN, AlGaN, GaN, - Säulen (14), die die Struktur (19) tragen und mit einem Substrat (16) mechanisch stabil verbinden, wobei - die Säulen (14) InGaN aufweisen und mit der Struktur (19) in direktem Kontakt stehen, und - Seitenflächen (21) der Struktur (19) zumindest teilweise entlang einer m-Ebene (9) einer Kristallstruktur der Struktur (19) ausgebildet sind.
Halbleiterstruktur (15) nach dem vorherigen Anspruch, bei dem die Seitenfläche (21) der Struktur (19) zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, atomar glatt ausgebildet ist.
Halbleiterstruktur (15) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, bei der die Struktur (19) nicht zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung ausgebildet ist.
Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die Struktur (19) als Ringresonator ausgebildet ist.
Halbleiterstruktur nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der die Struktur (19) zur Leitung von elektromagnetischer Strahlung, die in die Struktur (19) eingekoppelt ist, eingerichtet ist.