EP2777078A1 - Herstellung einer halbleitereinrichtung mit mindestens einem säulen- oder wandförmigen halbleiterelement - Google Patents

Herstellung einer halbleitereinrichtung mit mindestens einem säulen- oder wandförmigen halbleiterelement

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EP2777078A1
EP2777078A1 EP12794633.3A EP12794633A EP2777078A1 EP 2777078 A1 EP2777078 A1 EP 2777078A1 EP 12794633 A EP12794633 A EP 12794633A EP 2777078 A1 EP2777078 A1 EP 2777078A1
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EP
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crystal type
sections
crystal
semiconductor
heights
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Withdrawn
Application number
EP12794633.3A
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Oliver Brandt
Lutz GEELHAAR
Vladimir KAGANER
Martin Wölz
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Forschungsverbund Berlin FVB eV
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Forschungsverbund Berlin FVB eV
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a semiconductor device, such as. B. a light-emitting device, with at least one columnar or wall-shaped semiconductor element, in particular a method for producing a semiconductor device whose at least one semiconductor element in at least one cross-sectional direction has a lateral thickness less than 1 ⁇ , in particular less than 500 nm. Furthermore, the invention relates to a semiconductor device having at least one columnar or wall-shaped semiconductor element, in particular a semiconductor device having at least one nanopillar and / or at least one nanowind, which is arranged on a substrate. Applications of the invention are given in the production of optical, in particular light-emitting, electrical, electromechanical and / or electrothermal components.
  • nanostructured semiconductor elements On a substrate which have characteristic dimensions in the sub-micrometer range.
  • For the structuring of a substrate and the production of the semiconductor elements are “top-down” methods such.
  • nano-column heterostructures are produced which along a major direction of the semiconductor elements have sections of different crystal types, e.g. B. with different chemical composition or different
  • the object of the invention is to provide an improved method for producing a semiconductor device comprising a patterned semiconductor, with which
  • the object of the invention is in particular to provide a method for producing a semiconductor device with nanostructured semiconductor elements, which is characterized by a simplified process control.
  • the method should also enable increased accuracy and / or reproducibility in the adjustment of optical, electrical, mechanical and / or thermal properties of the semiconductor elements.
  • Another object of the invention is to provide an improved semiconductor device comprising a patterned semiconductor which avoids the disadvantages of conventional semiconductor devices with patterned semiconductors.
  • the semiconductor device should be particularly suitable for a simplified production and / or an accurate and reproducible adjustment of physical or chemical properties.
  • the stated objects are achieved in each case by a method for producing a semiconductor device or by a semiconductor device, wherein the semiconductor device comprises a substrate and at least one semiconductor element which has an elongate shape and in a main direction which depends on the extent of the Surface of the substrate deviates extends.
  • the semiconductor element transversely to the main direction has a Lateraldicke which is less than the Hö ⁇ he (length) of the semiconductor element in the main direction.
  • the elongated shape of the semiconductor element is formed so that the semiconductor element in at least one sectional plane has an aspect ratio (quotient of lateral thickness and Length) is less than 1, preferably less than 0.1, more preferably less than 0.05.
  • Basic forms of the semiconductor element are z.
  • the shape of a column or: needle, wire or rod
  • the shape of a wall or: disc
  • the main direction is formed by the longitudinal direction of the column and in the wall shape by a direction perpendicular to the thickness direction of the wall.
  • the main direction is oriented perpendicular to the surface of the substrate, but alternatively, a tilt angle less than 90 ° may be present.
  • the semiconductor element may have a substantially constant lateral thickness along its entire length or, alternatively, a varying lateral thickness.
  • the columnar shape may have a diameter decreasing or increasing from the substrate to the free end of the semiconductor element. Accordingly, the semiconductor element may also have the shape of a pyramid or truncated cone or a more complicated geometric shape.
  • the semiconductor element has an active region with sections of different crystal types. At least two sections of a first crystal type are provided, between which a section of a second crystal type is arranged. In practical applications of the invention, there is preferably a series of the first crystal type portions separated by second crystal type portions.
  • the first and second types of crystals characterized by different lattice constants and un ⁇ ter Kunststoffliche optical, electrical, mechanical and / or thermal properties such. B. by different line properties and band gaps, from.
  • the sections of the different crystal types different functions. For example, in an LED, the portions of the first crystal ⁇ type quantum well portions and the portions of the second crystal type barrier sections.
  • the first and second types of crystals have different Git ⁇ terkonstanten.
  • the difference in the lattice constants causes a lattice strain to occur in the sections of the first crystal type, which depends on the lattice constant in the section of the second crystal type.
  • the at least one portion of the second crystal type also has a lattice strain that depends on the lattice constant in the adjacent portions of the first crystal type. For both types of crystal the strain is laterally inhomogeneous.
  • the active region of the at least one semiconductor element is geometrically dimensioned such that the lattice strain in the at least two sections of the first crystal type is not only dependent on the lattice constant of the first crystal type
  • the geometrical dimensions of the active area means that the height (thickness in the main direction) of the portion of the second crystal type and / or the Lateraldicke is (thickness transversely to the main direction) of the semiconducting ⁇ terelements, in particular of the active region is selected so that superimpose or influence the grating stresses of the first crystal type portions.
  • the inventors have found that with the height of the portion of the second crystal type, ie with the distance of at least two portions of the first crystal type in the main direction, and with the lateral thickness of the active region two new degrees of freedom, which are not available in conventional methods, can be created with which physical or chemical properties of the at least one semiconductor element can be set.
  • the quantum well portions are so far apart that they do not affect each other.
  • a mutual dependence of the lattice strain of the sections of the first crystal type is set in a targeted manner.
  • the inventors have further found, in contrast to the findings described in US 2011/0127490 AI, that the geometric dimensioning of the active region and therefore with the lattice strain optical, electrical, mechanical and / or thermal properties of the semiconductor element in contrast to the conventional approach To change the composition can be varied in a simplified way.
  • the geometric dimensioning of the active region especially when properties of the quantum wells are to be changed within the nano-column, places lower demands on the process management than, for example, Example, the conventional variation of the composition of a semiconductor in the longitudinal direction of the nanocolumn.
  • the change in vapor composition and temperature in the crystal growth process to vary the crystal composition can be replaced by the variation of the column geometry, which greatly simplifies the manufacturing process. Furthermore, the reproducibility of the process ⁇ leadership can improve.
  • the invention is based in particular on the following considerations of the inventors.
  • Two coherently bonded crystals with different lattice constants are mechanically stressed.
  • the stress influences essential properties of the semiconductor, such as. B. its electronic band structure, the charge carrier Agility, heat capacity or thermal conductivity.
  • the strain already occurs in conventional semiconductor devices with layered (unstructured) heterostructures of contiguous or interrupted thin layers, the lattice mismatch determines the state of stress of the layer. This would be adjustable only by the introduction of defects.
  • the mutual influence of the physical or chemical properties of the sections of the first crystal type and thus of the semiconductor elements due to the lattice strain has hitherto been disregarded.
  • the invention is now based on the idea of arranging crystallites with mismatch, ie different sections of different crystal types, in such a way that a relaxation takes place at the free surfaces of the semiconductor elements.
  • the semiconductor elements have a high aspect ratio.
  • the remaining stress in the sections can be set in particular by the mentioned geometric dimensions, such as the quotients of the heights of the adjacent sections of the first and second crystal types and / or the quotient of the height of the active area and the lateral thickness of the active area.
  • a targeted adjustment of physical and / or chemical properties of the semiconductor element, in particular of optical, electrical, mechanical and / or thermal properties of the semiconductor element, by adjusting at least one height quotient of adjacent sections and / or heights -Laterdicken- quotient predetermined, material-dependent reference values are used.
  • the process conditions are such.
  • the reference values are z. As determined by theoretical simulations depending on the materials used, from existing table values or by simple experiments.
  • the active region can be dimensioned such that all sections of the first crystal type have the same lattice strain along the main direction of the semiconductor element.
  • all portions of the first crystal type have the same optical, electrical, mechanical and / or thermal properties.
  • the inventors have found that, for example, in an LED, the lattice strain of the quantum well portions in the longitudinal ⁇ direction of a columnar semiconductor element can vary when all barrier sections have the same height. Accordingly, the spectral range of the emission would broaden.
  • the grating strains are set so that light of different wavelengths is emitted from all the quantum well portions, so that the at least one semiconductor element can be used as a broadband light source.
  • the lattice strain can be adjusted in at least one of the sections of the first crystal type by embedding the respective section on all sides in the material of the second crystal type.
  • the first crystal type portion has an interface with the second crystal type portion not only in the main direction of the semiconductor element but also in the thickness direction transverse to the main direction.
  • this provides an additional degree of freedom in the adjustment of the physical or chemical properties of the relevant section or of the entire semiconductor element.
  • a semiconductor device according to the invention can with a single semiconductor element, for. As a single nanocolumn or nanowire, be prepared on the substrate. This variant may have advantages, for. B. ben in the use of the semiconductor ⁇ element as an electronic component in a circuit ben. According to a preferred embodiment of the invention, however, it is provided that a plurality of the semiconductor elements are arranged projecting from the substrate surface on the substrate.
  • the method may be carried out so that all semiconductor elements of the same shapes and sizes or that the semiconductor elements are produced with different shapes and / or sizes. For example, even columns and wall shapes may be combined on a common sub ⁇ strat.
  • the provision of a plurality of semiconductor elements on a common substrate has the advantage that the Effect of the inventive setting of the electrical, optical, mechanical and / or thermal properties of the semiconductor elements is summed.
  • LEDs can be created with a significantly increased brightness.
  • the provision of a plurality of semiconductor elements offers further possible variations for the design of the semiconductor device.
  • the active regions of all semiconductor elements can be dimensioned the same, so that the physical and / or chemical properties of all semiconductor elements are identical.
  • the active regions of the semiconductor elements can be dimensioned differently, so that correspondingly a variation of the physical and / or chemical properties of the semiconductor elements within the semiconductor device is achieved.
  • the invention with a variety of semiconductors can be realized.
  • the portions of the first and / or second crystal types are made of a nitride-based semiconductor, in particular a gallium nitride-based semiconductor, an arsenide-based semiconductor, in particular a gallium arsenide-based semiconductor, an antimonide-based semiconductor, in particular a gallium antimony-based semiconductor , a phosphide-based semiconductor, in particular a gallium phosphide-based semiconductor, a silicon-based semiconductor and / or a germanium-based semiconductor.
  • the at least one semiconductor element is produced with the following geometric dimensions.
  • Column-shaped semiconductor element lateral thickness ⁇ 1 ⁇ m, preferably ⁇ 500 nm, particularly preferably ⁇ 50 nm; Length:> 100 nm, preferably> 500 nm, more preferably> 1 ⁇ ; Length of the active rich:> 50 nm, preferably> 100 nm, more preferably> 150 nm; Number of sections of the first crystal type: at least 2, preferably at least 4, more preferably at least 6; Height (hi) of the portions of the first crystal type: ⁇ 100 nm, preferably ⁇ 10 nm, more preferably
  • Wall-shaped semiconductor element Dimensioning such as the columnar semiconductor element, with a freely selectable extension in the longitudinal direction of the plate.
  • LED light-emitting component
  • further preferred applications include the provision of an electronic component, eg. B. in an integrated circuit, an opto-electronic device, for. As a solar cell, an electro-mechanical device or a thermoelectric device.
  • FIG. 1 shows schematic sectional views of various variants of columnar semiconductor elements according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of a variant of a wall-shaped semiconductor element according to the invention
  • Figure 3 is a schematic perspective view of an embodiment of the semiconductor device having a plurality of columnar semiconductor elements
  • Figure 4 is a further schematic sectional view of a kla ⁇ lenförmigen semiconductor element
  • FIG. 5 Room temperature photoluminescence spectra for the active zone of an LED according to the invention.
  • the invention will be described in particular with regard to the adjustment of the lattice strain in the sections of the first crystal type. Depending on the specific application of the invention, it may alternatively or additionally be provided that the lattice strain in the sections of the second crystal type is specifically adjusted.
  • GaN-based semiconductors Although reference is made in the following to GaN-based semiconductors by way of example, it should be emphasized that the implementation of the invention is not restricted to these semiconductors but is instead speaking with other doped or non-doped semiconductors is possible.
  • the invention will be described below by way of example with reference to the production of an LED in which the at least one nanostructured semiconductor element comprises a heterostructure of quantum well sections and barrier sections.
  • the sections of the first and second crystal types in the at least one semiconductor element are accordingly drawn in the following as quantum well sections and as barrier sections. Since the implementation of the invention is not limited to the manufacture of an LED device, the sections of the first and second crystal types have different functions than the quantum well sections and the barrier sections in other applications.
  • FIG. 1 illustrates, in a schematic sectional view, a semiconductor device 100 according to the invention with various variants of columnar semiconductor elements 10 arranged on a substrate 30.
  • the semiconductor elements 10 have an elongated columnar shape with a main direction that is perpendicular to the surface of the substrate 30 in FIG. 1 as a z-direction in the plane of the paper.
  • the semiconductor elements 10 have z. B. a circular, elliptical or polygonal cross-section with a characteristic cross-sectional dimension (lateral thickness) D in the x direction in the range of z. B. 10 nm to 200 nm.
  • the length of the semiconductor elements 10 in the z direction is selected for example in the range of 30 nm to 500 nm.
  • the quantum well sections 11, 13, ... have a height hi, which in the range of z. B. 1 nm to 5 nm is selected, while the barrier sections 12, 14, ... a height have, the z. B. is selected in the range of 1 nm to 20 nm.
  • the quantum well portions 11, 13, ... are z. B. from (In, Ga) N, while the barrier sections 12, 14, ... are made of GaN.
  • the quantum well sections 11, 13,... Have a narrower band gap than the barrier sections 12, 14, the emission wavelength of the light emitted by the semiconductor elements 10 depending on the band gaps in the quantum well sections 11, 13,.
  • the substrate 30 is z. B. of sapphire or silicon.
  • the thickness of the substrate 30 is z. B. selected in the range of 250 ⁇ to 1 mm.
  • the quotient are from the heights h x and h 2 (hi: h 2) and / or the quotient of the height H and the Lateraldicke D (H: D) selected such that the lattice tension in the quantum well sections 11 , 13, ... influence each other as described below with reference to FIG.
  • the variants I and II differ by the lateral thickness D. As the lateral thickness D increases, the influence of adjacent quantum well portions is reduced.
  • variants III and IV show that in the active region 40, the heights h 2 of the barrier sections can vary. Accordingly, the emission wavelengths of the quantum well portions differ.
  • the heights hi of the quantum well portions could be varied in the z direction.
  • variant V shows a structure in which the quantum well sections 11, 13,... Are completely embedded in the material of the barrier sections 12, 14,.
  • the extension of the quantum well sections 11, 13,... In x- Direction can be selected, for example, about 1 nm to 3 nm smaller than the lateral thickness D.
  • FIG. 2 schematically illustrates an embodiment of a semiconductor device 100 according to the invention with a wall-shaped semiconductor element 20 which is arranged on the substrate 30.
  • the wall-shaped semiconductor element 20 has a substantially two-dimensional extent in the z and y directions, which is selected in the range of 200 nm to 2 ⁇ .
  • the lateral thickness D in the x direction is chosen to be much smaller in the range from 20 nm to 200 nm.
  • a series of quantum well portions 21, 23, ... and barrier portions 22, 24, ... form the active region 40 with a height H selected in the range of 30 nm to 200 nm.
  • FIG. 3 shows, in a schematic perspective view, an embodiment of the semiconductor device 100 according to the invention, in which a multiplicity of columnar semiconductor elements 10, each having an active region 40 of quantum well and barrier sections, are arranged on the substrate 30.
  • the semiconductor elements 10 cover on the substrate 30 a surface which z. B. 100 pm 2 to 4 mm 2 .
  • the at least one semiconductor element, in particular the columnar semiconductor elements 10 according to FIG. 3, can be produced by the following methods. First, a self-organized crystal growth process can be realized in which the growth in length is greater than the width growth, such. In molecular beam epitaxy of GaN (0001) and (In, Ga) N (0001) under nitrogen-rich conditions.
  • the lateral thickness D of the columnar semiconductor elements 10 can be adjusted by the selection and / or structuring of the substrate 30.
  • the columnar shape is used during waxing maintain the quantum well sections and barrier sections.
  • the heights of the quantum well sections and barrier sections are adjusted by the material feed in molecular beam epitaxy.
  • the complete embedding of the quantum well sections in the material of the barrier sections can be achieved by a variation of the process parameters.
  • FIG. 1 and 2 only the semiconductor elements and the substrate are shown. In practice, further components are provided depending on the specific application of the semiconductor device. For example, approximately purposes (shown gestri ⁇ smiles in Figure 3) in the LED application of contact electrodes to the substrate and a top electrode plate for Maisie- provided.
  • the contact electrodes are z. B. connected to a control device and power supply.
  • the semiconductor elements 10 can be shaped according to FIG. 3 so that they fuse together at their upper end, as described by A. Kikuchi et al. (see above), whereby a contact of the semiconductor elements 10 is simplified.
  • Figure 4 illustrates schematically the effect of the inventively provided geometric dimensioning of the active area on the example of a single pillar-shaped semiconducting ⁇ terelements 10.
  • Figure 4 illustrates schematically the effect of the inventively provided geometric dimensioning of the active area on the example of a single pillar-shaped semiconducting ⁇ terelements 10.
  • the upper part of Figure 4 is a sequence of two sections 11, 13 of the first crystal type with the height hi, which are separated by a barrier section 12 of the second crystal type with the height h 2 .
  • the average lateral stress is shown schematically in the case in which the unstressed lattice constant of the first crystal type (11, 13) is greater than that of the material of the second crystal type.
  • the lattice strain due to the mismatch between sections 11/12 and 12/13 causes a stress, which in this example is compressive (-) in sections 11, 13 and (+) in the adjacent section 12 and the remainder of the semiconductor material (see solid line on the right side of the semiconductor element 10).
  • the unstrained reference state is indicated by the dashed straight line.
  • the stresses in the sections 11, 13 of the first crystal type do not or only slightly, ie the stress is mainly determined by the section 12 and the remaining semiconductor material.
  • This situation is typically given in conventional semiconductor elements, but according to the invention also z. B. be set using predetermined, material-dependent reference values targeted.
  • the strain in one of the first crystal type portions (eg 11) will affect the strain in the second of the first crystal type portions (e.g. B. 13) and vice versa, it is reduced overall. Accordingly, the geometrical dimensioning of the heights hi and h 2 sets the grating tension in the sections 11, 13 of the first crystal type. Alternatively or additionally, this effect can be influenced by the choice of the lateral thickness D of the semiconductor element 10.
  • the influence of the stress on the band structure of a semiconductor crystal illustrated in FIG. 4 is preferably used in light-emitting components (LEDs). Given the composition of the crystal types, the energy of the resulting photons for each individual column can be influenced by the strain. Thus, multi-color light can be generated with a small number of quantum well portions (crystal layers). For example, three quantum well sections are provided.
  • the semiconductor element can be used in a thermally active device. Since crystals under compression have an improved thermal conductivity, the thermal conductivity can become anisotropic due to the strain of individual crystal axes. A high thermal conductivity allows the dissipation of heat loss from electronic components, while a low heat conductivity ⁇ can increase the efficiency of thermoelectric systems.
  • FIG. 5 illustrates an experimental result which illustrates the shift of the emission wavelength of an LED test structure according to the invention as a function of the size h 2 of the barrier sections.
  • the height h 2 of the barrier sections decreases in the range of 23 nm to 1 nm, it changes the wavelength of the light emission from 600 nm to 650 nm (intensity I, relative units).
  • This effect can be ⁇ uses to set selectively, depending on the geometric dimensions of the active area of the semiconductor elements, a light emission having a desired spectral distribution.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung (100) beschrieben, bei dem auf einem Substrat (30) mindestens ein säulen- oder wandförmiges Halbleiterelement (10, 20) gebildet wird, das sich in einer Hauptrichtung (z) erstreckt, wobei in einem aktiven Bereich (40) mindestens zwei Abschnitte (11, 13, 21, 23) eines ersten Kristalltyps und zwischen diesen ein Abschnitt (12, 22) eines zweiten Kristalltyps jeweils mit vorbestimmten Höhen (h1, h2) gebildet werden, wobei die ersten und zweiten Kristalltypen unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen und jeder der Abschnitte des ersten Kristalltyps eine Gitter-Verspannung aufweist, die von der Gitterkonstanten im Abschnitt des zweiten Kristalltyps abhängt. Erfindungsgemäss wird mindestens eines von der Höhe (h2) des Abschnitts (12, 22) des zweiten Kristalltyps und einer Lateraldicke (D) des aktiven Bereichs (40) senkrecht zur Hauptrichtung gezielt derart gebildet, dass die Gitter-Verspannung in einem der Abschnitte (11) des ersten Kristalltyps zusätzlich von der Gitterkonstanten im anderen Abschnitt (13) des ersten Kristalltyps abhängt. Es wird auch eine Halbleitereinrichtung (100), umfassend mindestens ein säulen- oder wandförmiges Halbleiterelement (10, 20) auf einem Substrat (30), beschrieben, die insbesondere mit dem genannten Verfahren hergestellt ist.

Description

Herstellung einer Halbleitereinrichtung mit mindestens einem säulen- oder wandförmigen Halbleiterelement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, wie z. B. eines lichtemittierenden Bauelements, mit mindestens einem Säulen- oder wandförmigen Halbleiterelement, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, deren mindestens ein Halbleiterelement in mindestens einer Querschnittsrichtung eine Lateraldicke geringer als 1 μπι, insbesondere geringer als 500 nm, aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Halbleitereinrichtung mit mindestens einem säulen- oder wandförmigen Halbleiterelement, insbesondere eine Halbleitereinrichtung mit mindestens einer Nanosäule und/oder mindestens einer Na- nowand, die auf einem Substrat angeordnet ist. Anwendungen der Erfindung sind bei der Herstellung optischer, insbesondere lichtemittierender, elektrischer, elektromechanischer und/oder elektrothermischer Bauelemente gegeben.
Es ist allgemein bekannt, auf einem Substrat stehende Halbleiterelemente (nanostrukturierte Halbleiterelemente) herzustellen, die charakteristische Dimensionen im Sub- ikrometerbereich aufweisen. Für die Strukturierung eines Substrats und die Herstellung der Halbleiterelemente sind "top-down"-Verfahren, wie z. B. das selektive Ätzen planarer Halbleiter, oder "bottom-up"-Verfahren, wie z. B. das epitaktische Wachstum nanostrukturierter Halbleiter, bekannt.
Mit den genannten Verfahren werden z. B. säulenförmige Halbleiterelemente (Nanodrähte, Nanosäulen, englisch: nanowire) (siehe z. B. US 2011/0127490 AI oder US 2007/0257264 AI) oder wandförmige Halbleiterelemente (Nanowände, Nanoplatten, Nano- Scheiben, englisch: nanowall) auf einem Substrat hergestellt. Typischerweise werden Nanosäulen-Heterostrukturen hergestellt, die entlang einer Hauptrichtung der Halbleiterelemente Abschnitte verschiedener Kristalltypen, z. B. mit unter- schiedlicher chemischer Zusammensetzung oder verschiedenen
Dotierungen, enthalten, um das Halbleiterelement mit bestimmten optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften auszustatten. Es ist des Weiteren bekannt, dass sich diese Eigenschaften nanostrukturierter Halbleiter von denen planarer oder volu- menförmiger Halbleiter unterscheiden, da sich die Strukturierung auf die Leitungseigenschaften und Bandverläufe des Halbleiters auswirkt. In US 2011/0127490 AI wird darauf hingewie- sen, dass sich die Nanodrähte im Vergleich zu planaren Halbleitern aufgrund einer wirksamen Verspannungs-Relaxation durch eine vernachlässigbare Anzahl von Versetzungen auszeichnen. Es wurde vorgeschlagen, lichtemittierende Bauelemente (lichtemittierende Dioden, LEDs) aus nanostrukturierten Halbleitern herzustellen. Beispielsweise werden von K. Kishino et al. ("Proceedings of SPIE", Band 6473, 2007, S. 6473T-1 - 64730T- 12) und von A. Kikuchi et al. (in "Japanese Journal of Ap- plied Physics", Band 43, 2004, S. L1524 - L1526) LEDs beschrieben, die aus ( In, Ga) N/GaN-Nanosäulen auf Saphir- oder Silizium-Substraten bestehen und Licht im sichtbaren Spektralbereich emittieren. Die Nanosäulen werden als Heterostrukturen durch Selbstorganisation gebildet, wobei sich in der Hauptrichtung der Nanosäulen Abschnitte eines Kristalltyps mit einer geringeren Bandlücke (Quantentopfabschnitte ) und Abschnitte eines Kristalltyps mit einer größeren Bandlücke (Barrierenabschnitte) abwechseln. Die Wellenlänge des emittierten Lichtes wird insbesondere durch die Bandstruktur der Quantentopfabschnitte und speziell deren In-Gehalt bestimmt. Von B. Guo et al . (siehe "Nanoletters" , Band 10, 2010, S. 3355) wird eine LED aus (In, Ga) /GaN-Nanosäulen auf einem Silizium-Substrat beschrieben, die durch eine Variation der Halbleiter-Zusammensetzung entlang der Nanosäulen verschiedene Wellenlängen in einem breiten Spektralbereich (Weißlicht) emittiert .
Die Herstellung von LEDs mit nanostrukturierten Halbleitern lässt zwar im Vergleich zu herkömmlichen GaN-basierten LEDs Vorteile in Bezug auf die Wachstumsbedingungen (mögliche Verwendung von Silizium als Substrat) , die Quantenausbeute der Lichtemission und die Einstellung spektraler Eigenschaften (Verwendung höherer In-Konzentrationen) erwarten. In der Pra¬ xis werden zur Einstellung von bestimmten Emissionseigenschaften bisher jedoch nur die wenigen Verfahrensparameter verwendet, die auch bei herkömmlichen LEDs eingesetzt werden, wie z. B. die Zusammensetzung des Halbleiters. Insbesondere die Einstellung der Emission auf einen bestimmten Spektralbereich, z. B. die Einstellung einer Weißlicht-Emission, stellt eine große Herausforderung für die Steuerung von Verfahrensparametern bei der Herstellung der nanostrukturierten Halb¬ leiter dar.
Die genannten Probleme wirken sich nicht nur bei der Herstellung von LEDs aus, sondern auch bei anderen Anwendungen von nanostrukturierten Halbleitern, z. B. als elektronische Bauelemente, als elektro-thermische Bauelemente oder als e- lektro-mechanische Bauelemente (MEMS-Bauelemente) .
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, die einen strukturierten Halbleiter umfasst, bereitzustellen, mit dem
Nachteile herkömmlicher Verfahren vermieden werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung mit nanostruktu- rierten Halbleiterelementen bereitzustellen, das sich durch eine vereinfachte Verfahrensführung auszeichnet. Das Verfahren soll auch eine erhöhte Genauigkeit und/oder Reproduzierbarkeit bei der Einstellung von optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften der Halbleiterelemente ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Halbleitereinrichtung, umfassend einen strukturierten Halbleiter, bereitzustellen, die Nachteile herkömmlicher Halbleitereinrichtungen mit strukturierten Halbleitern vermeidet. Die Halbleitereinrichtung soll insbesondere für eine vereinfachte Herstellung und/oder eine genaue und reproduzierbare Einstellung physikalischer oder chemischer Eigenschaften geeignet sein.
Diese Aufgaben werden jeweils durch ein Verfahren oder eine Halbleitereinrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß allgemeinen Gesichtspunkten der Erfindung werden die genannten Aufgaben jeweils durch ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung oder durch eine Halbleitereinrichtung gelöst, wobei die Halbleitereinrichtung ein Substrat und mindestens ein Halbleiterelement umfasst, das eine langgestreckte Form aufweist und sich in einer Hauptrichtung, die von der Ausdehnung der Oberfläche des Substrats abweicht, erstreckt. Das Halbleiterelement weist quer zur Hauptrichtung eine Lateraldicke auf, die geringer als die Hö¬ he (Länge) des Halbleiterelements in der Hauptrichtung ist. Die langgestreckte Form des Halbleiterelements ist so gebildet, dass das Halbleiterelement in mindestens einer Schnittebene ein Aspektverhältnis (Quotient aus Lateraldicke und Länge) kleiner als 1, vorzugsweise kleiner als 0,1, besonders bevorzugt kleiner als 0,05 aufweist. Grundformen des Halbleiterelements sind z. B. die Form einer Säule (oder: Nadel, Draht oder Stab) oder die Form einer Wand (oder: Scheibe) . Bei der Säulenform wird die Hauptrichtung durch die Längsrichtung der Säule und bei der Wandform durch eine Richtung senkrecht zur Dickenrichtung der Wand gebildet. Typischerweise ist die Hauptrichtung senkrecht zur Oberfläche des Substrats orientiert, es kann jedoch alternativ ein Neigungswin- kel kleiner als 90° gegeben sein. Das Halbleiterelement kann entlang seiner gesamten Länge eine im wesentlichen konstante Lateraldicke oder alternativ eine variierende Lateraldicke aufweisen. Beispielsweise kann die Säulenform einen vom Substrat zum freien Ende des Halbleiterelements sich verringern- den oder vergrößernden Durchmesser aufweisen. Entsprechend kann das Halbleiterelement auch die Gestalt eines Pyramidenoder Kegelstumpfs oder eine kompliziertere geometrische Form aufweisen. Entlang der Hauptrichtung, d.h. der Richtung, in der sich das mindestens eine Halbleiterelement von der Oberfläche des Substrats erstreckt, weist das Halbleiterelement einen aktiven Bereich mit Abschnitten verschiedener Kristalltypen auf. Es sind mindestens zwei Abschnitte eines ersten Kristalltyps vorgesehen, zwischen denen ein Abschnitt eines zweiten Kristalltyps angeordnet ist. Bei praktischen Anwendungen der Erfindung ist bevorzugt eine Folge der Abschnitte des ersten Kristalltyps gegeben, die durch Abschnitte des zweiten Kristalltyps getrennt sind. Die ersten und zweiten Kristalltypen zeichnen sich durch unterschiedliche Gitterkonstanten und un¬ terschiedliche optische, elektrische, mechanische und/oder thermische Eigenschaften, wie z. B. durch unterschiedliche Leitungseigenschaften und Bandabstände, aus. In Abhängigkeit von der Anwendung der Erfindung haben die Abschnitte der ver- schiedenen Kristalltypen verschiedene Funktionen. Beispielsweise sind in einer LED die Abschnitte des ersten Kristall¬ typs Quantentopfabschnitte und die Abschnitte des zweiten Kristalltyps Barrierenabschnitte .
Die ersten und zweiten Kristalltypen haben verschiedene Git¬ terkonstanten. Der Unterschied der Gitterkonstanten bewirkt, dass in den Abschnitten des ersten Kristalltyps eine Gitter- Verspannung auftritt, die von der Gitterkonstanten im Ab- schnitt des zweiten Kristalltyps abhängt. Des Weiteren weist auch der mindestens eine Abschnitt des zweiten Kristalltyps eine Gitter-Verspannung auf, die von der Gitterkonstanten in den angrenzenden Abschnitten des ersten Kristalltyps abhängt. Für beide Kristalltypen ist die Verspannung lateral inhomo- gen.
Gemäß der Erfindung wird der aktive Bereich des mindestens einen Halbleiterelements geometrisch so dimensioniert, dass die Gitter-Verspannung in den mindestens zwei Abschnitten des ersten Kristalltyps nicht nur von der Gitterkonstanten des
Abschnitts des zweiten Kristalltyps, sondern auch gegenseitig von der Gitterkonstanten des jeweils anderen Abschnitts des ersten Kristalltyps abhängt. Die geometrische Dimensionierung des aktiven Bereichs bedeutet, dass die Höhe (Dicke in Haupt- richtung) des Abschnitts des zweiten Kristalltyps und/oder die Lateraldicke (Dicke quer zur Hauptrichtung) des Halblei¬ terelements, insbesondere des aktiven Bereiches, so gewählt wird, dass sich die Gitter-Verspannungen der Abschnitte des ersten Kristalltyps gegenseitig überlagern oder beeinflussen.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass mit der Höhe des Abschnitts des zweiten Kristalltyps, d.h. mit dem Abstand der mindestens zwei Abschnitte des ersten Kristalltyps in der Hauptrichtung, und mit der Lateraldicke des aktiven Bereiches zwei neue, bei herkömmlichen Verfahren nicht verfügbare Freiheitsgrade geschaffen werden, mit denen physikalische oder chemische Eigenschaften des mindestens einen Halbleiterelements eingestellt werden können. Bei der herkömmlichen Na- nostrukturierung z. B. in einer LED sind die Quantentopfabschnitte so weit beabstandet, dass sie sich nicht gegenseitig beeinflussen. Im Unterschied dazu wird erfindungsgemäß eine gegenseitige Abhängigkeit der Gitter-Verspannung der Abschnitte des ersten Kristalltyps gezielt eingestellt. Die Erfinder haben ferner im Unterschied zu den in US 2011/0127490 AI beschriebenen Erkenntnissen herausgefunden, dass durch die geometrische Dimensionierung des aktiven Bereichs und daher mit der Gitter-Verspannung optische, elektrische, mechanische und/oder thermische Eigenschaften des Halbleiterelements im Unterschied zum herkömmlichen Ansatz, die Zusammensetzung zu verändern, vereinfacht variiert werden können. Die geometrische Dimensionierung des aktiven Bereichs stellt, insbesondere wenn Eigenschaften der Quantentöpfe innerhalb der Nanosäu- le geändert werden sollen, geringere Anforderungen an die Verfahrensführung als z. B. die herkömmliche Variation der Zusammensetzung eines Halbleiters in Längsrichtung der Nano- säule. Die Änderung der DampfZusammensetzung und Temperatur im Kristallzuchtprozess zur Variation der Kristall Zusammensetzung kann durch die Variation der Säulengeometrie ersetzt werden, was den Herstellungsprozess erheblich vereinfacht. Des Weiteren kann sich die Reproduzierbarkeit der Verfahrens¬ führung verbessern.
Die Erfindung beruht insbesondere auf den folgenden Überlegungen der Erfinder. Zwei an einer Grenzfläche kohärent verbundene Kristalle mit unterschiedlichen Gitterkonstanten stehen unter einer mechanischen Verspannung. Die Verspannung be- einflusst wesentliche Eigenschaften des Halbleiters, wie z. B. seine elektronische Bandstruktur, die Ladungsträger- Beweglichkeit, die Wärmekapazität oder die Wärmeleitfähigkeit. Die Verspannung tritt zwar bereits bei herkömmlichen Halbleitereinrichtungen mit schichtförmigen (unstrukturierten) Heterostrukturen aus zusammenhängenden oder unterbroche- nen dünnen Schichten auf, indem die Gitterfehlanpassung den Verspannungszustand der Schicht bestimmt. Dieser wäre jedoch nur durch die Einführung von Defekten einstellbar. Bei herkömmlichen Halbleitereinrichtungen mit nanostrukturierten Halbleiterelementen hingegen ist die gegenseitige Beeinflus- sung der physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Ab¬ schnitte des ersten Kristalltyps und damit der Halbleiterelemente durch die Gitter-Verspannung bisher außer Betracht geblieben. Die Erfindung basiert nun auf der Idee, Kristalli- te mit Fehlanpassung, d.h. verschiedene Abschnitte verschie- dener Kristalltypen, so anzuordnen, dass eine Entspannung an den freien Oberflächen der Halbleiterelemente erfolgt. Hierfür ist es von Vorteil, wenn die Halbleiterelemente ein hohes Aspektverhältnis aufweisen. Die verbleibende Verspannung in den Abschnitten kann insbesondere durch die genannten geomet- rischen Dimensionen, wie den Quotienten aus den Höhen der benachbarten Abschnitte des ersten und zweiten Kristalltyps und/oder dem Quotienten aus der Höhe des aktiven Bereichs und der Lateraldicke des aktiven Bereiches eingestellt werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine gezielte Einstellung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Halbleiterelements, insbesondere von optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des Halbleiterelements, indem zur Einstellung des mindestens einen Höhenquotienten benachbarter Abschnitte und/oder des Höhen-Lateraldicken- Quotienten vorbestimmte, materialabhängige Referenzwerte verwendet werden. Bei der Herstellung des mindestens einen Halb¬ leiterelements werden die Verfahrensbedingungen, z. B. bei einem "top-down"- oder bei einem "bottom-up"-Verfahren unter Verwendung der gegebenen Referenzwerte gewählt. Die Referenzwerte werden z. B. durch theoretische Simulationen in Abhängigkeit von den konkret verwendeten Materialien, aus vorhandenen Tabellenwerten oder durch einfache Experimente ermittelt.
Vorteilhafterweise existieren verschiedene Varianten bei der geometrischen Dimensionierung des aktiven Bereichs des mindestens einen Halbleiterelements. Gemäß einer ersten Variante kann der aktive Bereich so dimensioniert werden, dass alle Abschnitte des ersten Kristalltyps entlang der Hauptrichtung des Halbleiterelements die gleiche Gitter-Verspannung aufweisen. Im Ergebnis haben alle Abschnitte des ersten Kristalltyps die gleichen optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften. Andererseits haben die Erfinder haben festgestellt, dass beispielsweise in einer LED die Gitter-Verspannung der Quantentopfabschnitte in Längs¬ richtung eines säulenförmigen Halbleiterelements variieren kann, wenn alle Barrierenabschnitte die gleiche Höhe aufweisen. Entsprechend würde sich der Spektralbereich der Emission verbreitern. Durch die Einstellung der gleichen Gitter- Verspannung in allen Abschnitten gemäß der ersten Variante wird somit bei der LED-Anwendung eine spektrale Verbreiterung der Lichtemission minimiert. Gemäß einer zweiten Variante kann umgekehrt vorgesehen sein, dass mindestens zwei der Abschnitte des ersten Kristalltyps entlang der Hauptrichtung des Halbleiterelements gezielt verschiedene Gitter- Verspannungen aufweisen. Im Ergebnis können z. B. bei der LED-Anwendung die Gitter-Verspannungen so eingestellt werden, dass von allen Quantentopfabschnitten Licht mit verschiedenen Wellenlängen emittiert wird, so dass das mindestens eine Halbleiterelement als Breitbandlichtquelle verwendet werden kann . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Gitter-Verspannung in mindestens einem der Abschnitte des ersten Kristalltyps eingestellt werden, indem der betreffende Abschnitt allseits in das Material des zweiten Kristalltyps eingebettet wird. Der Abschnitt des ersten Kristalltyps hat nicht nur in der Hauptrichtung des Halbleiterelements eine Grenzfläche mit dem Abschnitt des zweiten Kristalltyps, sondern auch in der Dickenrichtung quer zur Hauptrichtung. Vorteilhafterweise wird damit ein zusätzlicher Freiheitsgrad bei der Einstellung der physikalischen oder chemischen Eigenschaften des betreffenden Abschnitts oder des gesamten Halbleiterelements bereitgestellt. Eine erfindungsgemäße Halbleiter-Einrichtung kann mit einem einzigen Halbleiterelement, z. B. einer einzigen Nanosäule oder Nanowand, auf dem Substrat hergestellt sein. Diese Variante kann Vorteile, z. B. bei der Verwendung des Halbleiter¬ elements als elektronisches Bauteil in einem Schaltkreis ha- ben. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass auf dem Substrat eine Vielzahl der Halbleiterelemente von der Substratoberfläche abstehend angeordnet sind. In Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung kann das Verfahren so geführt werden, dass alle Halbleiterelemente die gleichen Formen und Größen oder dass die Halbleiterelemente mit verschiedenen Formen und/oder Größen hergestellt werden. Beispielsweise können auch Säulen- und Wandformen auf einem gemeinsamen Sub¬ strat kombiniert werden.
Die Bereitstellung einer Vielzahl von Halbleiterelementen auf einem gemeinsamen Substrat hat erstens den Vorteil, dass die Wirkung der erfindungsgemäßen Einstellung der elektrischen, optischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften der Halbleiterelemente summiert wird. Beispielsweise können LEDs mit einer erheblich erhöhten Helligkeit geschaffen werden. Des Weiteren bietet die Bereitstellung einer Vielzahl von Halbleiterelementen weitere Variationsmöglichkeiten für die Gestaltung der Halbleitereinrichtung. Beispielsweise können die aktiven Bereiche aller Halbleiterelemente gleich dimensioniert sein, so dass die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften aller Halbleiterelemente identisch sind. Alternativ können die aktiven Bereiche der Halbleiterelemente verschieden dimensioniert sein, so dass entsprechend eine Variation der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der Halbleiterelemente innerhalb der Halbleitereinrichtung erzielt wird.
Vorteilhafterweise ist die Erfindung mit einer Vielzahl von Halbleitern realisierbar. Vorzugsweise werden die Abschnitte der ersten und/oder zweiten Kristalltypen aus einem Nitridbasierten Halbleiter, insbesondere einem Galliumnitrid- basierten Halbleiter, einem Arsenid-basierten Halbleiter, insbesondere einem Galliumarsenid-basierten Halbleiter, einem Antimonid-basierten Halbleiter, insbesondere einem Galliuman- timonid-basierten Halbleiter, einem Phosphid-basierten Halbleiter, insbesondere einem Galliumphosphid-basierten Halbleiter, einem Silizium-basierten Halbleiter und/oder einem Ger- manium-basierten Halbleiter hergestellt.
Gemäß besonders bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird das mindestens eine Halbleiterelement mit den folgenden geometrischen Dimensionen hergestellt. Säulenförmiges Halbleiterelement: Lateraldicke < 1 um, vorzugsweise < 500 nm, besonders bevorzugt < 50 nm; Länge: > 100 nm, vorzugsweise > 500 nm, besonders bevorzugt > 1 μιτι; Länge des aktiven Be- reiches: > 50 nm, vorzugsweise > 100 nm, besonders bevorzugt > 150 nm; Anzahl der Abschnitte des ersten Kristalltyps: mindestens 2, vorzugsweise mindestens 4, besonders bevorzugt mindestens 6; Höhe (hi) der Abschnitte des ersten Kristalltyps: < 100 nm, vorzugsweise < 10 nm, besonders bevorzugt
< 5 nm; Höhe (h2) des Abschnitts des zweiten Kristalltyps:
< 100 nm, vorzugsweise < 10 nm, besonders bevorzugt < 5 nm. Wandförmiges Halbleiterelement: Dimensionierung wie das säulenförmige Halbleiterelement, mit einer frei wählbaren Ausdehnung in Längsrichtung der Platte.
Neben der beispielhaft hervorgehobenen Anwendung der erfindungsgemäßen Halbleiter-Einrichtung als lichtemittierendes Bauelement (LED) umfassen weitere bevorzugte Anwendungen die Bereitstellung eines elektronischen Bauelements, z. B. in einem integrierten Schaltkreis, eines opto-elektronischen Bauelements, z. B. einer Solarzelle, eines elektro-mechanischen Bauelements oder eines thermoelektrischen Bauelements.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Figur 1: schematische Schnittansichten verschiedener Varianten von säulenförmigen Halbleiterelementen gemäß der Erfindung;
Figur 2: eine schematische Perspektivansicht einer Variante eines wandförmigen Halbleiterelements gemäß der Erfindung;
Figur 3: eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform der Halbleitereinrichtung mit einer Vielzahl von säulenförmigen Halbleiterelementen; Figur 4: eine weitere schematische Schnittansicht eines säu¬ lenförmigen Halbleiterelements; und
Figur 5: Raumtemperatur-Photolumineszenzspektren für die aktive Zone einer erfindungsgemäßen LED.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung und der Verfahren zu deren Herstellung werden im Folgenden insbesondere unter Bezug auf die geometrische Dimensionierung des aktiven Bereichs der Halbleiterelemente beschrieben. Einzelheiten der Verfahren zur Herstellung der Halbleiterelemente durch eine Strukturierung dünner Schichten ("top-down") oder durch ein selbstorganisiertes Wachstum der Halbleiterelemente ( "bottom-up" ) werden hier nicht beschrieben, da diese an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Es wird betont, dass die erfindungsgemäße geometrische Dimen¬ sionierung des aktiven Bereichs der Halbleiterelemente mit herkömmlichen Techniken zur Einstellung von optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften bei der Herstellung von Halbleiterelementen, z. B. durch Änderung der Zusammensetzung, kombiniert werden kann.
Die Erfindung wird insbesondere hinsichtlich der Einstellung der Gitter-Verspannung in den Abschnitten des ersten Kristalltyps beschrieben. In Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Erfindung kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass die Gitter-Verspannung in den Abschnitten des zweiten Kristalltyps gezielt eingestellt wird.
Obwohl im Folgenden beispielhaft auf GaN-basierte Halbleiter Bezug genommen wird, ist zu betonen, dass die Umsetzung der Erfindung nicht auf diese Halbleiter beschränkt, sondern ent- sprechend auch mit anderen dotierten oder nicht-dotierten Halbleitern möglich ist.
Die Erfindung wird im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf die Herstellung einer LED beschrieben, bei der das mindestens eine nanostrukturierte Halbleiterelement eine Heterostruktur aus Quantentopfabschnitten und Barrierenabschnitten umfasst. Die Abschnitte des ersten und zweiten Kristalltyps im mindestens einen Halbleiterelement werden entsprechend im Folgenden als Quantentopfabschnitte und als Barrierenabschnitte gezeichnet. Da die Umsetzung der Erfindung nicht auf die Herstellung einer LED-Einrichtung beschränkt ist, haben die Abschnitte der ersten und zweiten Kristalltypen bei anderen Anwendungen andere Funktionen als die der Quantentopfab- schnitte und der Barrierenabschnitte.
Figur 1 illustriert in schematischer Schnittansicht eine erfindungsgemäße Halbleiter-Einrichtung 100 mit verschiedenen Varianten säulenförmiger Halbleiterelemente 10, die auf einem Substrat 30 angeordnet sind. Die Halbleiterelemente 10 haben eine langgestreckte Säulenform mit einer Hauptrichtung, die in Figur 1 als z-Richtung in der Papierebene senkrecht zur Oberfläche des Substrats 30 verläuft. Die Halbleiterelemente 10 haben z. B. einen kreisrunden, ellipsenförmigen oder poly- gonalen Querschnitt mit einer charakteristischen Querschnittsdimension (Lateraldicke) D in x-Richtung im Bereich von z. B. 10 nm bis 200 nm. Die Länge der Halbleiterelemente 10 in z-Richtung ist beispielsweise im Bereich von 30 nm bis 500 nm gewählt.
Eine Abfolge von Quantentopfabschnitten 11, 13, ... die durch Barrierenabschnitte 12, 14, ... getrennt sind, bildet einen aktiven Bereich 40, dessen Länge in z-Richtung beispielsweise im Bereich von 30 nm bis 200 nm gewählt ist. Die Quantentopf- abschnitte 11, 13, ... haben eine Höhe hi, die im Bereich von z. B. 1 nm bis 5 nm gewählt ist, während die Barrierenabschnitte 12, 14, ... eine Höhe haben, die z. B. im Bereich von 1 nm bis 20 nm gewählt ist.
Die Quantentopfabschnitte 11, 13, ... sind z. B. aus (In,Ga)N hergestellt, während die Barrierenabschnitte 12, 14, ... aus GaN hergestellt sind. Entsprechend haben die Quantentopfabschnitte 11, 13, ... eine engere Bandlücke als die Barrieren- abschnitte 12, 14, wobei die Emissionswellenlänge des von den Halbleiterelementen 10 emittierten Lichtes von den Bandabständen in den Quantentopfabschnitten 11, 13, ... abhängt. Das Substrat 30 besteht z. B. aus Saphir oder Silizium. Die Dicke des Substrats 30 ist z. B. im Bereich von 250 μιη bis 1 mm gewählt.
Gemäß der Erfindung sind die Quotienten aus den Höhen hx und h2 (hi : h2) und/oder die Quotienten der Höhe H und der Lateraldicke D (H : D) so gewählt, dass sich die Gitter- Verspannungen in den Quantentopfabschnitten 11, 13, ... gegenseitig beeinflussen, wie unten unter Bezug auf Figur 4 beschrieben wird. Beispielsweise unterscheiden sich die Varianten I und II durch die Lateraldicke D. Mit zunehmender Lateraldicke D ist der Einfluss benachbarter Quantentopfabschnit- te verringert. Des Weiteren zeigen die Varianten III und IV, dass im aktiven Bereich 40 die Höhen h2 der Barrierenabschnitte variieren können. Entsprechend unterscheiden sich die Emissionswellenlängen der Quantentopfabschnitte . Gemäß weiteren Varianten könnten alternativ oder zusätzlich die Hö- hen hi der Quantentopfabschnitte in z-Richtung variiert werden. Schließlich zeigt Variante V eine Struktur, bei der die Quantentopfabschnitte 11, 13, ... vollständig in das Material der Barrierenabschnitte 12, 14, ... eingebettet sind. Die Ausdehnung der Quantentopfabschnitte 11, 13, ... in x- Richtung kann beispielsweise rund 1 nm bis 3 nm kleiner als die Lateraldicke D gewählt sein.
Figur 2 illustriert schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung 100 mit einem wand- förmigen Halbleiterelement 20, das auf dem Substrat 30 angeordnet ist. Das wandförmige Halbleiterelement 20 hat eine im Wesentlichen zweidimensionale Ausdehnung in den z- und y- Richtungen, die im Bereich von 200 nm bis 2 μπι gewählt ist. Die Lateraldicke D in x-Richtung hingegen ist wesentlich geringer im Bereich von 20 nm bis 200 nm gewählt. In z-Richtung bildet eine Folge von Quantentopfabschnitten 21, 23, ... und Barrierenabschnitten 22, 24, ... den aktiven Bereich 40 mit einer Höhe H, die im Bereich von 30 nm bis 200 nm gewählt ist.
Figur 3 zeigt in schematischer Perspektivansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung 100, bei der auf dem Substrat 30 eine Vielzahl von säulenförmigen Halbleiterelementen 10 jeweils mit einem aktiven Bereich 40 aus Quantentopf- und Barrierenabschnitten angeordnet ist. Die Halbleiterelemente 10 bedecken auf dem Substrat 30 eine Fläche, die z. B. 100 pm2 bis 4 mm2 beträgt. Das mindestens eine Halbleiterelement, insbesondere die säulenförmigen Halbleiterelemente 10 gemäß Figur 3, können nach den folgenden Verfahren hergestellt werden. Erstens kann ein selbstorganisiertes Kristallzuchtverfahren realisiert werden, bei dem das Längenwachstum stärker ist als das Breitenwachs- tum, wie z. B. bei der Molekularstrahlepitaxie von GaN (0001) und ( In, Ga) N ( 0001 ) unter Stickstoffreichen Bedingungen. Die Lateraldicke D der säulenförmigen Halbleiterelemente 10 kann durch die Auswahl und/oder eine Strukturierung des Substrats 30 eingestellt werden. Die Säulenform wird während des Wachs- tums der Quantentopfabschnitte und Barrierenabschnitte beibehalten. Die Höhen der Quantentopfabschnitte und Barrierenabschnitte wird durch die Materialzufuhr bei der Molekularstrahlepitaxie eingestellt. Die vollständige Einbettung der Quantentopfabschnitte in das Material der Barrierenabschnitte (Variante E in Figur 1) kann durch eine Variation der Prozessparameter erzielt werden. Alternativ ist eine Herstellung der Halbleiterelemente 10 durch ein Ätzen von plana- ren Heterostrukturen möglich. Zunächst werden Schichten aus den Materialien der Quantentopf- und Barrierenabschnitte her¬ gestellt, in denen durch ein Ätzverfahren anschließend säulenförmige Bereiche freigelegt werden. Beim Ätzen kann eine Maskierung angewendet werden, mit der die Querschnittsform der säulenförmigen Halbleiterelemente 10 eingestellt werden kann .
In den Figuren 1 und 2 sind lediglich die Halbleiterelemente und das Substrat gezeigt. In der Praxis sind in Abhängigkeit von der konkreten Anwendung der Halbleitereinrichtung weitere Komponenten vorgesehen. Beispielsweise sind für Kontaktie- rungszwecke bei der LED-Anwendung Kontaktelektroden am Substrat bzw. eine oberen Elektrodenplatte (in Figur 3 gestri¬ chelt dargestellt) vorgesehen. Die Kontaktelektroden sind z. B. mit einer Steuereinrichtung und Spannungsversorgung verbunden. Die Halbleiterelemente 10 können gemäß Figur 3 so geformt werden, dass sie an ihrem oberen Ende verschmelzen, wie von A. Kikuchi et al. (siehe oben) beschrieben ist, wodurch eine Kontaktierung der Halbleiterelemente 10 vereinfacht wird .
Figur 4 illustriert schematisch die Wirkung der erfindungsgemäß vorgesehenen geometrischen Dimensionierung des aktiven Bereichs am Beispiel eines einzelnen säulenförmigen Halblei¬ terelements 10. Im oberen Teil von Figur 4 ist eine Folge von zwei Abschnitten 11, 13 des ersten Kristalltyps mit der Höhe hi gezeigt, die durch einen Barrierenabschnitt 12 des zweiten Kristalltyps mit der Höhe h2 getrennt sind. Neben dem Halbleiterelement 10 ist die mittlere laterale Verspannung sche- matisch für den Fall gezeigt, dass die unverspannte Gitterkonstante vom des ersten Kristalltyps (11, 13) größer ist als die vom Material des zweiten Kristalltyps. Die Gitter- Verspannung aufgrund der Fehlanpassung zwischen den Abschnitten 11/12 und 12/13 bewirkt eine Verspannung, die in diesem Beispiel in den Abschnitten 11, 13 kompressiv (-) und in dem angrenzenden Abschnitt 12 und dem übrigen Halbleitermaterial tensil (+) ist (siehe durchgezogene Kurve auf der rechten Seite des Halbleiterelements 10) . Der unverspannte Referenzzustand wird durch die gestrichelte gerade Linie angegeben. Mit dem relativ geringen Quotienten hi : h2 im oberen Teil beeinflussen sich die Verspannungen in den Abschnitten 11, 13 des ersten Kristalltyps nicht oder wenig, d.h. die Verspannung wird hauptsächlich durch den Abschnitt 12 und das übrige Halbleitermaterial bestimmt. Diese Situation ist typischer- weise in herkömmlichen Halbleiterelementen gegeben, kann aber erfindungsgemäß ebenfalls z. B. unter Verwendung vorgegebener, materialabhängiger Referenzwerte gezielt eingestellt werden . Wenn hingegen der Quotient hi : h2 gemäß dem unteren Teil von Figur 4 größer gewählt ist, wirkt sich die Verspannung in einem der Abschnitte des ersten Kristalltyps (z. B. 11) auf die Verspannung im zweiten der Abschnitte des ersten Kristalltyps (z. B. 13) und umgekehrt aus, sie wird insgesamt reduziert. Entsprechend wird durch die geometrische Dimensionierung der Höhen hi bzw. h2 die Gitter-Verspannung in den Abschnitten 11, 13 des ersten Kristalltyps eingestellt. Alternativ oder zusätzlich kann dieser Effekt durch die Wahl der Lateraldicke D des Halbleiterelements 10 beeinflusst werden. Der in Figur 4 illustrierte Einfluss der Verspannung auf die Bandstruktur eines Halbleiterkristalls wird vorzugsweise in lichtemittierenden Bauelementen (LEDs) genutzt. Bei gegebener Zusammensetzung der Kristalltypen kann die Energie der entstehenden Photonen für jede einzelne Säule durch die Verspannung beeinflusst werden. So kann mehrfarbiges Licht mit einer geringen Anzahl von Quantentopfabschnitten (Kristallschichten) erzeugt werden. Es sind beispielsweise drei Quantentopfabschnitte vorgesehen.
Bei einer alternativen Anwendung der Erfindung in elektronischen Bauelementen wird ausgenutzt, dass die Verspannung in Halbleitern zu einer erhöhten Beweglichkeit von Ladungsträgern führt. Dies erlaubt z. B. eine Verkleinerung des Kanals von Feldeffekttransistoren und damit eine höhere Schaltgeschwindigkeit bzw. Packungsdichte in integrierten Schaltkreisen .
Gemäß einer weiteren Anwendung der Erfindung kann das Halbleiterelement in einem thermisch wirksamen Bauelement genutzt werden. Da Kristalle unter Kompression eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit haben, kann die Wärmeleitf higkeit durch die Verspannung einzelner Kristallachsen anisotrop werden. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht die Abfuhr von Verlustwärme aus elektronischen Bauelementen, während eine geringe Wär¬ meleitfähigkeit die Effizienz von thermoelektrischen Systemen steigern kann.
Figur 5 illustriert ein experimentelles Ergebnis, das die Verschiebung der Emissionswellenlänge einer erfindungsgemäßen LED-Teststruktur in Abhängigkeit von der Größe h2 der Barrierenabschnitte verdeutlicht. Mit abnehmender Höhe h2 der Barrierenabschnitte im Bereich von 23 nm auf 1 nm ändert sich die Wellenlänge der Lichtemission von 600 nm auf 650 nm (Intensität I, relative Einheiten) . Dieser Effekt kann ausge¬ nutzt werden, um gezielt in Abhängigkeit von der geometrischen Dimensionierung des aktiven Bereichs der Halbleiterelemente eine Lichtemission mit einer gewünschten spektralen Verteilung einzustellen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein..

Claims

ANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung
(100), bei dem auf einem Substrat (30) mindestens ein säulen- oder wandförmiges Halbleiterelement (10, 20) gebildet wird, das sich in einer Hauptrichtung (z) erstreckt, wobei
- entlang der Hauptrichtung in einem aktiven Bereich (40) mindestens zwei Abschnitte (11, 13, 21, 23) eines ersten
Kristalltyps und zwischen diesen ein Abschnitt (12, 22) eines zweiten Kristalltyps jeweils mit vorbestimmten Höhen (hi, h2) gebildet werden, wobei die ersten und zweiten Kristalltypen unterschiedliche Gitterkonstanten aufweisen, und
- jeder der Abschnitte (11, 13, 21, 23) des ersten Kristalltyps eine Gitter-Verspannung aufweist, die von der Gitterkonstanten im Abschnitt (12, 22) des zweiten Kristalltyps abhängt ,
dadurch gekennzeichnet dass
- eine gezielte Einstellung von optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des Halbleiterelements (10, 20) erfolgt, indem mindestens eines von der Höhe (h2) des Abschnitts (12, 22) des zweiten Kristalltyps und einer Lateraldicke (D) des aktiven Bereichs (40) senkrecht zur Hauptrichtung (z) derart gebildet wird, dass die Gitter- Verspannung in einem der Abschnitte (11) des ersten Kristalltyps zusätzlich von der Gitterkonstanten im anderen Abschnitt (13) des ersten Kristalltyps abhängt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem
- mindestens ein Quotient aus den Höhen (hi, h2) benachbarter Abschnitte (11, 12, 13, 21, 22, 23) des ersten und zweiten Kristalltyps und/oder ein Quotient aus der Höhe (H) und der Lateraldicke (D) des aktiven Bereichs (40) derart gebildet ist, dass die Gitter-Verspannung in einem der Abschnitte (11) des ersten Kristalltyps von der Gitterkonstanten im anderen Abschnitt (13) des ersten Kristalltyps abhängt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem
- die gezielte Einstellung von optischen, elektrischen, me¬ chanischen und/oder thermischen Eigenschaften des Halbleiterelements (10, 20) erfolgt, indem zur Einstellung des mindestens einen Quotient aus den Höhen (hx, h2) benachbarter Ab- schnitte (11, 12, 13, 21, 22, 23) des ersten und zweiten
Kristalltyps und/oder des Quotienten aus der Höhe (H) und der Lateraldicke (D) des aktiven Bereichs (40) vorgegebene, mate¬ rialabhängige Referenzwerte verwendet werden.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem
- der mindestens eine Quotient aus den Höhen (hi, h2) benachbarter Abschnitte (11, 12, 13, 21, 22, 23) des ersten und zweiten Kristalltyps und/oder der Quotient aus der Höhe (H) und der Lateraldicke (D) des aktiven Bereichs (40) derart ge- bildet werden, dass die optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften von allen Abschnitten (11, 21, 13, 23) des ersten Kristalltyps gleich sind.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem - der mindestens eine Quotient aus den Höhen (ha, h2) benach¬ barter Abschnitte (11, 12, 13, 21, 22, 23) des ersten und zweiten Kristalltyps und/oder der Quotient aus der Höhe (H) und der Lateraldicke (D) des aktiven Bereichs (40) derart ge¬ bildet werden, dass die optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften von wenigstens zwei der
Abschnitte (11, 21, 13, 23) des ersten Kristalltyps verschieden sind.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem
- die Abschnitte (11, 21, 13, 23) des ersten Kristalltyps in einer Dickenrichtung (x) senkrecht zur Hauptrichtung (z) des Halbleiterelements (10, 20) im Material des zweiten Kristall¬ typs eingebettet sind.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt
- Bildung einer Vielzahl der Halbleiterelemente (10, 20) auf dem Substrat (30) .
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem
- die Quotienten aus den Höhen (hx, h2) benachbarter Ab- schnitte (11, 12, 13, 21, 22, 23) des ersten und zweiten
Kristalltyps und/oder die Quotienten aus den Höhen (H) und den Lateraldicken (D) der aktiven Bereiche (40) der Halbleiterelemente (10, 20) derart gebildet werden, dass die optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigen- schaffen der Abschnitte (11, 13, 21, 23) des ersten Kristalltyps von allen Halbleiterelementen (10, 20) gleich sind.
9. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem
- die Quotienten aus den Höhen (hi, h2) benachbarter Ab- schnitte (11, 12, 13, 21, 22, 23) des ersten und zweiten
Kristalltyps und/oder die Quotienten aus den Höhen (H) und den Lateraldicken (D) der aktiven Bereiche (40) der Halbleiterelemente (10, 20) derart gebildet werden, dass sich die Halbleiterelemente (10, 20) durch jeweils verschiedene opti- sehe, elektrische, mechanische und/oder thermische Eigenschaften der Abschnitte (11, 13, 21, 23) des ersten Kristalltyps auszeichnen.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das mindestens eine Halbleiterelement (10) aus mindestens einem Halbleiter hergestellt ist, der aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist:
- Nitrid-basierter Halbleiter, insbesondere Galliumnitrid- basierter Halbleiter,
- Arsenid-basierter Halbleiter, insbesondere Galliumarsenid- basierter Halbleiter,
- Antimonid-basierter Halbleiter, insbesondere Galliumantimo- nid-basierter Halbleiter,
- Phosphid-basierter Halbleiter, insbesondere Galliumphos- phid-basierter Halbleiter,
- Silizium-basierter Halbleiter, und
- Germanium-basierter Halbleiter.
11. Halbleitereinrichtung (100), umfassend mindestens ein säulen- oder wandförmiges Halbleiterelement (10, 20) auf einem Substrat (30), wobei sich das Halbleiterelement (10, 20) in einer Hauptrichtung (z) erstreckt, wobei
- entlang der Hauptrichtung in einem aktiven Bereich (40) mindestens zwei Abschnitte (11, 13, 21, 23) eines ersten Kristalltyps und zwischen diesen ein Abschnitt (12, 22) eines zweiten Kristalltyps jeweils mit einer vorbestimmten Höhe vorgesehen sind, wobei sich die ersten und zweiten Kristall- typen in Bezug auf ihre Gitterkonstanten unterscheiden,- und
- jeder der Abschnitte (11, 13, 21, 23) des ersten Kristalltyps eine Gitter-Verspannung aufweist, die von der Gitterkon¬ stanten im Abschnitt (12, 22) des zweiten Kristalltyps ab¬ hängt,
dadurch gekennzeichnet dass
- mindestens eines von der Höhe (h2) des Abschnitts (12, 22) des zweiten Kristalltyps und einer Lateraldicke (D) des aktiven Bereichs (40) senkrecht zur Hauptrichtung (z) derart gewählt ist, dass die Gitter-Verspannung in einem der Abschnit- te (11) des ersten Kristalltyps zusätzlich von der Gitterkonstanten im anderen Abschnitt (13) des ersten Kristalltyps abhängt . 12. Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 11, bei der
- mindestens ein Quotient aus den Höhen (hi, h2) benachbarter Abschnitte (11, 12, 13, 21, 22, 23) des ersten und zweiten Kristalltyps und/oder ein Quotient aus der Höhe (H) und der Lateraldicke (D) des aktiven Bereichs (40) derart gewählt ist, dass die Gitter-Verspannung in einem der Abschnitte (11) des ersten Kristalltyps von der Gitterkonstanten im anderen Abschnitt (13) des ersten Kristalltyps abhängt, und/oder
- mindestens ein Quotient aus den Höhen (hi, h2) benachbarter Abschnitte (11, 12, 13, 21, 22, 23) des ersten und zweiten Kristalltyps und/oder ein Quotient aus der Höhe (H) des akti¬ ven Bereichs (40) und der Lateraldicke (D) des Halbleiterelements (10) gleich vorgegebenen, materialabhängigen Referenzwerten gewählt ist. 13. Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 11 oder 12, bei der
- der mindestens eine Quotient aus den Höhen (hi, h2) benachbarter Abschnitte (11,
12, 13, 21, 22, 23) des ersten und zweiten Kristalltyps und/oder der Quotient aus der Höhe (H) und der Lateraldicke (D) des aktiven Bereichs (40) derart ge- wählt ist, dass die optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften von allen Abschnitten (11, 21,
13, 23) des ersten Kristalltyps gleich sind.
14. Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 11 oder 12, bei der - der mindestens eine Quotient aus den Höhen (hi, h2) benachbarter Abschnitte (11, 12, 13, 21, 22, 23) des ersten und zweiten Kristalltyps und/oder der Quotient aus der Höhe (H) und der Lateraldicke (D) des aktiven Bereichs (40) derart gewählt ist, dass die optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften von mindestens zwei der Abschnitte (11, 21, 13, 23) des ersten Kristalltyps verschieden sind.
15. Halbleitereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, umfassend
eine Vielzahl der Halbleiterelemente (10) , die auf dem Substrat (20) angeordnet sind.
16. Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 15, bei der
- die Quotienten aus den Höhen (hi, h2> benachbarter Abschnitte (11, 12, 13, 21, 22, 23) des ersten und zweiten Kristalltyps und/oder die Quotienten aus den Höhen (H) und den Lateraldicken (D) der aktiven Bereiche (40) der Halblei- terelemente (10, 20) derart gewählt sind, dass die optischen, elektrischen, mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften der Quantentopfabschnitte (11) von allen Halbleiterelementen (10, 20) gleich sind.
17. Halbleitereinrichtung gemäß Anspruch 15, bei der
- die Quotienten aus den Höhen (hi, h2) benachbarter Abschnitte (11, 12, 13, 21, 22, 23) des ersten und zweiten Kristalltyps und/oder die Quotienten aus den Höhen (H) und den Lateraldicken (D) der aktiven Bereiche (40) der Halblei- terelemente (10, 20) derart gewählt sind, dass sich die Halbleiterelemente (10, 20) durch jeweils verschiedene optische, elektrische, mechanische und/oder thermische Eigenschaften von mindestens zwei der Quantentopfabschnitte (11) auszeichnen.
18. Halbleitereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis
17, bei der
- das mindestens eine Halbleiterelement (10) mindestens einen Halbleiter umfasst, der aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist :
- Nitrid-basierter Halbleiter, insbesondere Galliumnitrid- basierter Halbleiter
- Arsenid-basierter Halbleiter, insbesondere Galliumarsenid- basierter Halbleiter,
- Antimonid-basierter Halbleiter, insbesondere Galliumantimo- nid-basierter Halbleiter,
- Phosphid-basierter Halbleiter, insbesondere Galliumphos- phid-basierter Halbleiter,
- Silizium-basierter Halbleiter, und
- Germanium-basierter Halbleiter.
19. Halbleitereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis
18, die
- ein lichtemittierendes, elektronisches, opto- elektronisches, elektro-mechanisches oder thermoelektrisches Bauelement ist.
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