WO2014048991A2 - Optoelektronisches bauelement mit einer schichtstruktur - Google Patents

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Philipp Drechsel
Peter Stauss
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Definitions

  • Optoelectronic component with a layer structure The present invention relates to an optoelectronic
  • nitride compound semiconductors in optoelectronic components such as light-emitting diodes or laser diodes.
  • nitride compound semiconductor layers are epitaxially grown on a substrate.
  • Suitable substrate materials are, for example, sapphire, GaN, or SiC.
  • the production of these substrate materials is associated with high costs.
  • nitride Germantechniklei ⁇ tern Epitaxial growth of nitride Germantechnik ⁇ tern on inexpensive available silicon substrates is difficult because silicon and nitride compound semiconductor ⁇ conductors having widely differing thermal coefficients Ausdehnungskoef ⁇ .
  • the growth of the nitride compound semiconductor takes place at temperatures of about 1000 ° C. If the layer system thus produced is subsequently cooled, the silicon substrate and the nitride compound semiconductor material contract to different degrees, as a result of which tensile stresses occur which can result in damage to the layer structure.
  • An object of the present invention is an optoelectronic device having a layer structure be ⁇ riding observed. This object is achieved by an optoelectronic component with the features of claim 1.
  • Another object of the present invention is as ⁇ rin to provide a process for preparing a layered structure for an optoelectronic device. This object is achieved by a method having the features of claim 15. Further developments are specified in the dependent claims.
  • An optoelectronic component comprising a layer of structural ⁇ structure, having a first gallium nitride layer and an aluminum-containing nitride intermediate layer ⁇ .
  • the layer structure further comprises an undoped second gallium nitride layer adjacent to the alumi ⁇ nium restroom nitride layer. It has been reported he ⁇ that can build up a higher compressive stress in the layer structure when the aluminum-containing nitride intermediate layer follows an undoped gallium nitride layer in the growth direction. This may cause an increased com pensation ⁇ a tensile stress is caused by a substrate during cooling of the layer structure.
  • the undoped second gallium nitride layer has a thickness between 30 nm and 2000 nm. It has been found that an undoped gallium nitride layer having a thickness in the range ⁇ sem causes a particularly significant increase in the desired compressive stress.
  • the layer structure has a third gallium nitride layer. In this case, the third gallium nitride layer has a silicon doping which can be changed perpendicularly to the layer plane. The third gallium nitride layer adjoins the second gallium nitride layer. It has been found that the pre ⁇ see such a third gallium nitride layer of the occurring defects ⁇ th a desired compressive stress in
  • Layer structure additionally favors.
  • the third gallium nitride layer has a thickness between 20 nm and 500 nm. It has been found that a gallium nitride layer ⁇ effected with a thickness out of this range an Particularly marked effect in producing a compressive stress in the layer structure.
  • the doping of the third gallium nitride layer increases starting from the boundary to the second gallium nitride layer.
  • Such Gradientendotierung can cause a particularly clear he ⁇ heightening the resultant in the layer structure compressive stress.
  • the first gallium nitride layer has a thickness between 500 nm and 2000 nm. A first gallium nitride layer having a thickness in this range can cause an occurrence of compressive stress in the layer structure.
  • a masking layer comprising silicon nitride is embedded in the first gallium nitride layer.
  • Such ⁇ be embedded masking layer may cause a reduction of dislocation density in the first gallium nitride layer, whereby a dislocation density in in Wachtumsrich- tion subsequent subsequent layers of the layer structure reduced.
  • the aluminum-containing nitride intermediate layer has a thickness between 5 nm and 100 nm.
  • An aluminum-containing Nit ⁇ rid date ist having a thickness out of this range causes a particularly low dislocation density in the subsequent layers of the layer structure.
  • a proportion of aluminum in the aluminum-containing nitride intermediate layer increases in the direction of the undoped second gallium nitride layer. It has been shown that an increasing in Grow ⁇ umplatz aluminum content results in a particularly günsti ⁇ ge compressive stress.
  • the proportion of aluminum in the doubled aluminiumhal ⁇ term nitride intermediate layer between the first gallium nitride layer and the undoped gallium nitride ⁇ second layer at least. It has been shown that such an increase in the aluminum content in the growth direction causes a special ⁇ DERS favorable compressive stress.
  • a proportion of aluminum in the aluminum-containing nitride intermediate layer is at least 40% compared to a proportion of gallium. It has been found that a compressive Verspan ⁇ voltage caused by the aluminum-containing nitride intermediate layer ⁇ assumes a particularly favorable value at such a high average aluminum content.
  • the layer structure has a fourth gallium nitride layer, which has a silicon doping.
  • the fourth gallium nitride layer is adjacent to the second gallium nitride Layer or to the third gallium nitride layer.
  • the four ⁇ th gallium nitride layer can serve as a current distribution ⁇ layer in the layer structure of the optoelectronic device.
  • the layer structure comprises an LED layer structure which adjoins the fourth gallium nitride layer.
  • the optoelectronic ⁇ specific component is then an LED.
  • the layer structure has a plurality of first gallium nitride layers and aluminum-containing nitride intermediate layers, which follow one another alternately.
  • a layer structure with a plurality of such gallium nitride layers and aluminum-containing nitride intermediate layers may have a particularly high compressive strain.
  • the layer structure is angeord ⁇ net on a silicon substrate.
  • An opening formed in the layer structure compressive stress can thereby prevent damage of the optoelectronic component can be avoided occurring during cooling of the layer structure and the silicon substrate tension kompensie ⁇ ren..
  • One method of fabricating a layered structure for an optoelectronic device includes steps of depositing a first gallium nitride layer, depositing an aluminum-containing nitride interlayer on the first gallium nitride layer, and depositing an undoped second gallium nitride layer on the aluminum-containing nitride interlayer.
  • the method makes it possible to generate a compressive strain in the layer structure, which can compensate for a tensile stress occurring during cooling of the layer structure.
  • the method comprises a further step of depositing a third gallium nitride layer on the second gallium nitride layer, wherein the drit ⁇ te gallium nitride layer is deposited with a growth direction in increasingly Menden silicon doping.
  • this comprises a further step of depositing a fourth gallium nitride layer, which is deposited with a silicon doping.
  • the fourth gallium nitride layer can then serve as Stromvertei ⁇ ment layer.
  • this comprises a further step of depositing an LED layer structure on the fourth gallium nitride layer.
  • the produced Schichtstruk ⁇ tur can then serve to produce a light emitting diode.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a layer structure of an optoelectronic component
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a layer structure 100 of an optoelectronic component 10.
  • electronic component 10 may be, for example, a light ⁇ diode.
  • the optoelectronic component 10 is not yet completed in the representation of FIG.
  • the layer structure 100 may be structured, electrically contacted and enclosed, for example.
  • the substrate 110 may be a substrate having a low coefficient of thermal expansion.
  • the substrate 110 may be a cost- effective silicon substrate in the form of a silicon wafer.
  • the substrate 110 could also be an SOI substrate.
  • a nucleation layer or seed layer 120 is deposited on a surface of the substrate 110.
  • the nucleation layer 120 comprises AlN and may also have proportions of Galn and O 2 .
  • a buffer layer 130 is grown on the nucleation layer 120.
  • the buffer layer 130 has AlN and may additionally have GaN.
  • the buffer layer 130 may also include In and O 2 .
  • the buffer layer 130 may have, for example, a di ⁇ bridge between 100 nm and 300 nm.
  • the buffer layer 130 can, as indicated in FIG. 1, comprise a plurality of partial layers which differ in their composition and / or the growth parameters used in their production.
  • the buffer layer 130 may serve to enhance the crystal quality of the layered structure 100.
  • the buffer layer 130 can serve to reduce a dislocation density in the layers of the layer structure 100 following in the direction of growth of the layer structure 100 of the buffer layer 130.
  • a first gallium nitride layer 140 is grown on the buffer layer 130.
  • the first gallium nitride layer 140 may be doped or undoped.
  • the first gallium nitride layer 140 may have a silicon doping ⁇ .
  • the first gallium nitride layer 140 as Darge ⁇ , in Fig. 1 having an embedded mask layer 142.
  • the first gallium nitride layer 140 comprises egg ⁇ ne first sublayer 141 and a second sub-layer 143. Between the first sub-layer 141 and the second sub-layer 143, masking layer 142 is arranged. The masking layer 142 may help to reduce a Verset ⁇ wetting density in subsequent layers of the layer structure 100th
  • the masking layer 142 comprises silicon nitride (SiN).
  • the masking layer 142 is formed very thin in the direction of growth, and may for example have a thickness Zvi ⁇ rule 0.2 nm and 2 nm on the average.
  • the masking layer 142 can be an island-shaped layer, ie a layer whose growth is still stopped in the initial stage before the crystallites formed on the growth surface grow together to form a closed layer.
  • the masking layer on a multi ⁇ number of openings.
  • the first sub-layer 141 may be substantially thinner than the second sub-layer 143.
  • the first sub-layer can even be completely dispensed with 141, so that the masking layer 142 ⁇ di rectly adjacent to the buffer layer 130th
  • the first gallium nitride layer 140 may for example have a thickness Zvi ⁇ rule 500 nm and 2000 nm.
  • an aluminum-containing nitride intermediate layer 150 is grown on the first gallium ⁇ nitride layer 140.
  • the aluminum-containing Nit ⁇ rid date harsh 150 has A1N or AlGaN.
  • the aluminum-containing nitride intermediate layer 150 may have a thickness between 5 nm and 100 nm.
  • the aluminum-containing nitride intermediate layer 150 may have a thickness of about 30 nm.
  • the aluminum-containing material of the intermediate nitride layer 150 has a smaller lattice constant than GaN. Characterized ⁇ be affects the pad nitride layer 150 a compressive Verspan- voltage in the grown layers below the laminated structure 100 having GaN. The higher the aluminum content in the aluminum-containing nitride intermediate layer 150, the greater the compressive stress is.
  • the nitride interlayer 150 is entirely A1N.
  • the proportion of aluminum to the proportion of gallium within the nitride intermediate layer 150 may vary, for example, between 20% and 95%.
  • the proportion of aluminum in administratsrichtum the nitride layer increases relative to the proportion of gallium and rises preferably to at least twice its initial ⁇ value.
  • the aluminum content is in the Nitridzwi ⁇ rule layer 150 on average over 40%.
  • the steps for applying the first gallium nitride layer 140 and the nitride intermediate layer 150 are alternately repeated several times.
  • another first gallium nitride layer then follows the nitride layer 150,140 with or without masking layer 142.
  • a second gallium nitride layer is grown on the layer 150 Nitridzwi ⁇ rule 160th
  • the second gallium nitride ⁇ layer 160 may have a thickness between 30 nm and 2000 nm ⁇ .
  • the second gallium nitride layer 160 has GaN and is not doped.
  • a third gallium nitride layer 170 is grown on the second gallium nitride layer 160.
  • the growth of the third gallium nitride layer 170 may also be completely eliminated.
  • the third gallium nitride layer 170 may cause a further increase in the compressive strain formed in the layered structure 100.
  • the third gallium nitride layer 170 may be grown to a thickness Zvi ⁇ rule 20 nm and 500 nm.
  • the third gallium nitride layer 170 comprises GaN and silicon do ⁇ advantage. In this case, the third gallium nitride layer 170 has a variable doping in the growth direction.
  • the third gallium nitride layer 170 in growth Rich ⁇ tung to an increasing degree of doping.
  • the Dotie ⁇ tion in the growth direction of the third gallium nitride layer 170 for example, from 0 to a value of, for example, 1.5 x 10 18 / cm 3 or 5 x 10 18 / cm 3 increase.
  • a fourth gallium nitride layer 180 is grown.
  • the fourth gallium nitride ⁇ layer 180 is positioned on the second gallium nitride layer 160 to grow ⁇ .
  • the fourth gallium nitride layer 180 includes GaN, and may have, for example a thickness of between 1000 nm and 3000 nm ⁇ .
  • the fourth gallium nitride layer 180 is high ⁇ do advantage.
  • the fourth gallium nitride layer 180 may have a silicon doping with a doping level of 1 ⁇ 10 19 / cm 3 .
  • the fourth gallium nitride layer 180 can serve as a current distribution layer of the layer structure 100 of the optoelectronic component 10.
  • a functional layer structure 190 is grown on the fourth gallium nitride layer 180.
  • the functional layer structure 190 may be, for example, an LED layer structure.
  • the functional layer structure 190 includes a light-emitting active layer.
  • the layer structure 100 is cooled. Because of the different coefficients of thermal expansion of the substrate 110 and the remaining layers of the layer structure 100, tensile stresses or tensile stresses occur which are compensated by the compressive stress built into the layer structure 100. As a result, damage to the layer structure 100 is counteracted.
  • Fig. 2 shows a diagram 200 of curvature.
  • a growth time 201 is plotted in seconds.
  • the attached give ⁇ ne time has elapsed during the growth of the second gallium ⁇ nitride layer 160 time, and thus correlated with the thickness of the second gallium nitride layer 160.
  • a higher curvature means a higher compressive strain in the layer structure 100 and is thus desirable.
  • a first curvature profile 210 shows the time-dependent Zunah ⁇ me of curvature at a first sample in the following on the aluminum-containing nitride intermediate layer of gallium nitride was ⁇ heavily doped.
  • a second curvature 220 indicates the time-dependent development of the curvature in a second sample, in which the gallium nitride layer following the aluminum-containing nitride interlayer was low-doped with silicon.
  • a third curvature 230 indicates the development of curvature at a layer structure 100, in which the Nitrid collected on the aluminum-containing layer 150 ⁇ following second gallium nitride layer was 160 grew undo ⁇ advantage.
  • the maximum curvature is achieved with undoped gallium nitride layer 160 according to the second drit ⁇ th curvature course 230th
  • the maximum possible compressive strain is applied.
  • a tensile stress occurring during the cooling of the layer structure 100 after the growth of the layer structure 100 occurs can be compensated for most completely.

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Abstract

Ein optoelektronisches Bauelement umfasst eine Schichtstruktur, die eine erste Galliumnitridschicht und eine aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht aufweist. Dabei grenzt die aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht an die erste Galliumnitridschicht an. Außerdem weist die Schichtstruktur eine undotiert zweite Galliumnitridschicht auf, die an die aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht auf, die an die aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht angrenzt.

Description

Beschreibung
Optoelektronisches Bauelement mit einer Schichtstruktur Die vorliegende Erfindung betrifft ein optoelektronisches
Bauelement mit einer Schichtstruktur sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur für ein optoelektronisches Bauelement . Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2012 217 631.4, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Es ist bekannt, Nitrid-Verbindungshalbleiter in optoelektro- nischen Bauelementen wie Leuchtdioden oder Laserdioden einzusetzen. Zur Herstellung solcher optoelektronischer Bauelemente werden Nitrid-Verbindungshalbleiterschichten epitaktisch auf ein Substrat aufgewachsen. Geeignete Substratmaterialien sind beispielsweise Saphir, GaN, oder SiC. Die Herstellung dieser Substratmaterialien ist allerdings mit hohen Kosten verbunden .
Ein epitaktisches Aufwachsen von Nitrid-Verbindungshalblei¬ tern auf kostengünstiger erhältlichen Siliziumsubstraten wird dadurch erschwert, dass Silizium und Nitrid-Verbindungshalb¬ leiter sich stark unterscheidende thermische Ausdehnungskoef¬ fizienten aufweisen. Das Aufwachsen des Nitrid-Verbindungshalbleiters erfolgt bei Temperaturen von etwa 1000 °C. Wird das so erzeugte Schichtsystem anschließend abgekühlt, so zie- hen sich das Siliziumsubstrat und das Nitrid- Verbindungshalbleitermaterial unterschiedlich stark zusammen, wodurch Zugspannungen auftreten, die eine Beschädigung der Schichtstruktur zur Folge haben können. Aus der EP 1 875 523 Bl ist es bekannt, zwischen einer Sili¬ zium-Oberfläche eines Aufwachssubstrats und einer funktionel¬ len Schichtenfolge einer Schichtstruktur eines optoelektroni- sehen Bauelements aluminiumhaltige Zwischenschichten einzufü¬ gen, um eine kompressive Verspannung in der entstehenden Schichtstruktur zu erzeugen, die die beim Abkühlen auftretenden Zugspannungen kompensiert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein optoelektronisches Bauelement mit einer Schichtstruktur be¬ reitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein optoelektronisches Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht da¬ rin, ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur für ein optoelektronisches Bauelement anzugeben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .
Ein optoelektronisches Bauelement umfasst eine Schichtstruk¬ tur, die eine erste Galliumnitridschicht und eine aluminium¬ haltige Nitridzwischenschicht aufweist. Dabei grenzt die alu¬ miniumhaltige Nitridzwischenschicht an die erste Gallium¬ nitridschicht an. Die Schichtstruktur weist außerdem eine undotierte zweite Galliumnitridschicht auf, die an die alumi¬ niumhaltige Nitridzwischenschicht angrenzt. Es hat sich er¬ wiesen, dass sich in der Schichtstruktur eine höhere kompressive Verspannung aufbauen kann, wenn der aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht in Wachstumsrichtung eine undotierte Galliumnitridschicht nachfolgt. Dies kann eine erhöhte Kom¬ pensation einer sich beim Abkühlen der Schichtstruktur durch ein Substrat verursachten Zugspannung bewirken.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist die undotierte zweite Galliumnitridschicht eine Dicke zwischen 30 nm und 2000 nm auf. Es hat sich erwiesen, dass eine undotierte Galliumnitridschicht mit einer Dicke in die¬ sem Bereich eine besonders deutliche Erhöhung der erwünschten kompressiven Verspannung bewirkt. In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist die Schichtstruktur eine dritte Galliumnitridschicht auf. Dabei weist die dritte Galliumnitridschicht eine senk¬ recht zur Schichtebene veränderliche Silizium-Dotierung auf. Die dritte Galliumnitridschicht grenzt dabei an die zweite Galliumnitridschicht an. Es hat sich erwiesen, dass das Vor¬ sehen einer solchen dritten Galliumnitridschicht das Auftre¬ ten einer gewünschten kompressiven Verspannung in der
Schichtstruktur zusätzlich begünstigt.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist die dritte Galliumnitridschicht eine Dicke zwischen 20 nm und 500 nm auf. Es hat sich gezeigt, dass eine Gallium¬ nitridschicht mit einer Dicke aus diesem Bereich einen beson- ders deutlichen Effekt bei der Erzeugung einer kompressiven Verspannung in der Schichtstruktur bewirkt.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements nimmt die Dotierung der dritten Galliumnitridschicht von der Grenze zur zweiten Galliumnitridschicht ausgehend zu. Eine solche Gradientendotierung kann eine besonders deutliche Er¬ höhung der sich in der Schichtstruktur ergebenden kompressiven Verspannung bewirken. In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist die erste Galliumnitridschicht eine Dicke zwischen 500 nm und 2000 nm auf. Eine erste Galliumnitridschicht mit einer Dicke aus diesem Bereich kann ein Auftreten einer kompressiven Verspannung in der Schichtstruktur bewirken.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist in die erste Galliumnitridschicht eine Maskierungsschicht eingebettet, die Siliziumnitrid aufweist. Eine solche einge¬ bettete Maskierungsschicht kann eine Verminderung einer Ver- setzungsdichte in der ersten Galliumnitridschicht bewirken, wodurch sich auch eine Versetzungsdichte in in Wachtumsrich- tung nachfolgenden weiteren Schichten der Schichtstruktur reduziert .
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist die aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht eine Dicke zwischen 5 nm und 100 nm auf. Eine aluminiumhaltige Nit¬ ridzwischenschicht mit einer Dicke aus diesem Bereich bewirkt eine besonders geringe Versetzungsdichte in den nachfolgenden Schichten der Schichtstruktur.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements nimmt in der aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht ein Anteil an Aluminium in Richtung der undotierten zweiten Galliumnitridschicht zu. Es hat sich gezeigt, dass ein in Wachst¬ umrichtung zunehmender Aluminiumanteil eine besonders günsti¬ ge kompressive Verspannung bewirkt.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements verdoppelt sich der Anteil an Aluminium in der aluminiumhal¬ tigen Nitridzwischenschicht zwischen der ersten Galliumnitridschicht und der undotierten zweiten Galliumnitrid¬ schicht mindestens. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Zunahme des Aluminiumanteils in Wachstumrichtung eine beson¬ ders günstige kompressive Verspannung bewirkt.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements beträgt in der aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht ein Anteil an Aluminium gegenüber einem Anteil an Gallium mindestens 40%. Es hat sich gezeigt, dass eine durch die aluminium¬ haltige Nitridzwischenschicht bewirkte kompressive Verspan¬ nung bei einem derart hohen mittleren Aluminiumanteil einen besonders günstigen Wert annimmt.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist die Schichtstruktur eine vierte Galliumnitridschicht auf, die eine Silizium-Dotierung aufweist. Dabei grenzt die vierte Galliumnitridschicht an die zweite Galliumnitrid- Schicht oder an die dritte Galliumnitridschicht an. Die vier¬ te Galliumnitridschicht kann dabei als Stromverteilungs¬ schicht in der Schichtstruktur des optoelektronischen Bauelements dienen.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements umfasst die Schichtstruktur eine LED-Schichtstruktur, die an die vierte Galliumnitridschicht angrenzt. Das optoelektroni¬ sche Bauelement ist dann eine Leuchtdiode.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements weist die Schichtstruktur eine Mehrzahl erster Galliumnitridschichten und aluminiumhaltiger Nitridzwischenschichten auf, die abwechselnd aufeinander folgen. Eine Schichtstruktur mit einer Mehrzahl solcher Galliumnitridschichten und aluminiumhaltiger Nitridzwischenschichten kann eine besonders hohe kompressive Verspannung aufweisen.
In einer Ausführungsform des optoelektronischen Bauelements ist die Schichtstruktur auf einem Siliziumsubstrat angeord¬ net. Eine in der Schichtstruktur ausgebildete kompressive Verspannung kann dabei eine beim Abkühlen der Schichtstruktur und des Siliziumsubstrats auftretende Zugspannung kompensie¬ ren. Dadurch werden Beschädigungen des optoelektronischen Bauelements vermieden.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur für ein optoelektronisches Bauelement umfasst Schritte zum Abscheiden einer ersten Galliumnitridschicht, zum Abscheiden einer alu- miniumhaltigen Nitridzwischenschicht auf der ersten Galliumnitridschicht, und zum Abscheiden einer undotierten zweiten Galliumnitridschicht auf der aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht. Das Verfahren ermöglicht es, in der Schichtstruktur eine kompressive Verspannung zu erzeugen, die eine beim Abkühlen der Schichtstruktur auftretende Zugspannung kompensieren kann. In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses einen weiteren Schritt zum Abscheiden einer dritten Galliumnitridschicht auf der zweiten Galliumnitridschicht, wobei die drit¬ te Galliumnitridschicht mit einer in Wachstumsrichtung zuneh- menden Silizium-Dotierung abgeschieden wird. Dieses Verfahren erlaubt die Herstellung einer Schichtstruktur mit einer besonders hohen kompressiven Verspannung. Dadurch können bei dieser Schichtstruktur auch große auftretende Zugspannungen kompensiert werden, um eine Beschädigung der Schichtstruktur zu vermeiden.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses einen weiteren Schritt zum Abscheiden einer vierten Galliumnitridschicht, die mit einer Silizium-Dotierung abgeschieden wird. Die vierte Galliumnitridschicht kann dann als Stromvertei¬ lungsschicht dienen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses einen weiteren Schritt zum Abscheiden einer LED-Schichtstruktur auf der vierten Galliumnitridschicht. Die erzeugte Schichtstruk¬ tur kann dann zur Herstellung einer Leuchtdiode dienen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schichtstruktur eines optoelektronischen Bauelements; und
Fig. 2 ein Krümmungsdiagram zum Vergleich unterschiedlicher Schichtstrukturen .
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Schichtstruktur 100 eines optoelektronischen Bauelements 10. Das opto- elektronische Bauelement 10 kann beispielsweise eine Leucht¬ diode sein. Das optoelektronische Bauelement 10 ist in der Darstellung der Fig. 1 noch nicht fertig gestellt. Zur Vervollständigung des optoelektronischen Bauelements 10 kann die Schichtstruktur 100 beispielsweise noch strukturiert, elektrisch kontaktiert und eingehaust werden.
Zur Herstellung der Schichtstruktur 100 wird zunächst ein Substrat 110 bereitgestellt. Das Substrat 110 kann ein Sub- strat mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sein. Beispielsweise kann das Substrat 110 ein kosten¬ günstiges Siliziumsubstrat in Form eines Silizium-Wafers sein. Das Substrat 110 könnte aber beispielsweise auch ein SOI-Substrat sein.
Auf einer Oberfläche des Substrats 110 wird zunächst eine Nukleationsschicht bzw. Ankeimschicht 120 abgeschieden. Die Nukleationsschicht 120 weist A1N auf und kann auch Anteile an Galn und O2 aufweisen.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird eine Pufferschicht 130 auf der Nukleationsschicht 120 aufgewachsen. Die Pufferschicht 130 weist A1N auf und kann zusätzlich auch GaN aufweisen. Außerdem kann die Pufferschicht 130 auch In und O2 aufweisen. Die Pufferschicht 130 kann beispielsweise eine Di¬ cke zwischen 100 nm und 300 nm besitzen. Die Pufferschicht 130 kann, wie in Fig. 1 angedeutet, mehrere Teilschichten umfassen, die sich in ihrer Zusammensetzung und/oder den bei ihrer Herstellung verwendeten Wachstumsparametern unterschei- den.
Die Pufferschicht 130 kann dazu dienen, die Kristallqualität der Schichtstruktur 100 zu verbessern. Insbesondere kann die Pufferschicht 130 dazu dienen, eine Versetzungsdichte in den in Wachstumsrichtung der Schichtstruktur 100 der Pufferschicht 130 nachfolgenden Schichten der Schichtstruktur 100 zu reduzieren. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt bei der Herstellung der Schichtstruktur 100 des optoelektronischen Bauelements 10 wird eine erste Galliumnitridschicht 140 auf der Puffer- schicht 130 aufgewachsen. Die erste Galliumnitridschicht 140 kann dotiert oder undotiert sein. Beispielsweise kann die erste Galliumnitridschicht 140 eine Silizium-Dotierung auf¬ weisen . Die erste Galliumnitridschicht 140 kann, wie in Fig. 1 darge¬ stellt, eine eingebettete Maskierungsschicht 142 aufweisen. In diesem Fall umfasst die erste Galliumnitridschicht 140 ei¬ ne erste Teilschicht 141 und eine zweite Teilschicht 143. Zwischen der ersten Teilschicht 141 und der zweiten Teil- schicht 143 wird dabei die Maskierungsschicht 142 angeordnet. Die Maskierungsschicht 142 kann dazu beitragen, eine Verset¬ zungsdichte in nachfolgenden Schichten der Schichtstruktur 100 zu reduzieren. Die Maskierungsschicht 142 weist Siliziumnitrid (SiN) auf. Die Maskierungsschicht 142 ist in Wachstumsrichtung sehr dünn ausgebildet und kann beispielsweise im Mittel eine Dicke zwi¬ schen 0,2 nm und 2 nm aufweisen. Insbesondere kann die Maskierungsschicht 142 eine inselförmige Schicht sein, also eine Schicht, deren Wachstum noch im Anfangsstadium abgebrochen wird, bevor die auf der Anwachsoberfläche ausgebildeten Kris- tallite zu einer geschlossenen Schicht zusammenwachsen. In diesem Fall weist die Maskierungsschicht 142 somit eine Viel¬ zahl von Öffnungen auf.
Die erste Teilschicht 141 kann wesentlich dünner sein als die zweite Teilschicht 143. Die erste Teilschicht 141 kann sogar vollständig entfallen, so dass die Maskierungsschicht 142 di¬ rekt an die Pufferschicht 130 angrenzt. Insgesamt kann die erste Galliumnitridschicht 140 beispielsweise eine Dicke zwi¬ schen 500 nm und 2000 nm aufweisen. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird eine aluminium- haltige Nitridzwischenschicht 150 auf die erste Gallium¬ nitridschicht 140 aufgewachsen. Die aluminiumhaltige Nit¬ ridzwischenschicht 150 weist A1N oder AlGaN auf. Die alumini- umhaltige Nitridzwischenschicht 150 kann eine Dicke zwischen 5 nm und 100 nm aufweisen. Beispielsweise kann die aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht 150 eine Dicke von etwa 30 nm aufweisen . Das aluminiumhaltige Material der Nitridzwischenschicht 150 weist eine geringere Gitterkonstante auf als GaN. Dadurch be¬ wirkt die Nitridzwischenschicht 150 eine kompressive Verspan- nung in nachfolgend aufgewachsenen Schichten der Schichtstruktur 100, die GaN aufweisen. Die kompressive Ver- Spannung ist umso größer, je höher der Aluminiumanteil in der aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht 150 ist.
In einer Ausführungsform besteht die Nitridzwischenschicht 150 vollständig aus A1N. In einer anderen Ausführungsform kann der Anteil an Aluminium gegenüber dem Anteil an Gallium innerhalb der Nitridzwischenschicht 150 variieren und dabei beispielsweise zwischen 20% und 95% liegen. Bevorzugt nimmt der Anteil an Aluminium in Wachstumsrichtum der Nitridzwischenschicht gegenüber dem Anteil an Gallium zu und steigt dabei bevorzugt auf mindestens das Doppelte seines Anfangs¬ werts. Bevorzugt liegt der Aluminiumanteil in der Nitridzwi¬ schenschicht 150 im Mittel über 40%.
In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der Schichtstruktur 100 werden die Schritte zum Anlegen der ersten Galliumnitridschicht 140 und der Nitridzwischenschicht 150 abwechselnd mehrmals wiederholt. In der entstehenden Schichtstruktur 100 folgt dann auf die Nitridzwischenschicht 150 eine weitere erste Galliumnitridschicht 140 mit oder ohne Maskierungsschicht 142. Auf die weitere erste Galliumnitrid¬ schicht 140 folgt wiederum eine weitere aluminiumhaltige Nit- ridzwischenschicht 150. Diese Abfolge kann sich mehrere Male wiederholen .
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt zur Herstellung der Schichtstruktur 100 des optoelektronischen Bauelements 10 wird eine zweite Galliumnitridschicht 160 auf der Nitridzwi¬ schenschicht 150 aufgewachsen. Die zweite Galliumnitrid¬ schicht 160 kann eine Dicke zwischen 30 nm und 2000 nm auf¬ weisen. Die zweite Galliumnitridschicht 160 weist GaN auf und ist nicht dotiert.
Es hat sich gezeigt, dass eine Dotierung der zweiten Galliumnitridschicht 160 die durch die aluminiumhaltige Nitridzwi¬ schenschicht 150 bewirkte kompressive Verspannung reduzieren würde. Die Ausbildung der zweiten Galliumnitridschicht 160 als undotierte Schicht bewirkt daher eine höhere kompressive Verspannung der Schichtstruktur 100 als dies bei einer Ausbildung der zweiten Galliumnitridschicht 160 als dotierte Schicht der Fall wäre.
In einem optionalen weiteren Schritt zur Herstellung der Schichtstruktur 100 des optoelektronischen Bauelements 10 wird eine dritte Galliumnitridschicht 170 auf der zweiten Galliumnitridschicht 160 aufgewachsen. Auf das Aufwachsen der dritten Galliumnitridschicht 170 kann jedoch auch vollständig verzichtet werden. Die dritte Galliumnitridschicht 170 kann eine weitere Erhöhung der in der Schichtstruktur 100 ausgebildeten kompressiven Verspannung bewirken. Die dritte Galliumnitridschicht 170 kann mit einer Dicke zwi¬ schen 20 nm und 500 nm aufgewachsen werden. Die dritte Galliumnitridschicht 170 weist GaN auf und ist mit Silizium do¬ tiert. Dabei weist die dritte Galliumnitridschicht 170 in Wachstumsrichtung eine veränderliche Dotierung auf. Bevorzugt weist die dritte Galliumnitridschicht 170 in Wachstumsrich¬ tung einen zunehmenden Dotiergrad auf. Dabei kann die Dotie¬ rung in Wachstumsrichtung der dritten Galliumnitridschicht 170 beispielsweise von 0 bis zu einem Wert von beispielsweise 1,5 x 1018/cm3 oder 5 x 1018/cm3 ansteigen.
In einem weiteren Verfahrensschritt zur Herstellung der Schichtstruktur 100 des optoelektronischen Bauelements 10 wird eine vierte Galliumnitridschicht 180 aufgewachsen. Falls im vorhergehenden Verfahrensschritt die dritte Galliumnitrid¬ schicht 170 aufgewachsen wurde, wird die vierte Gallium¬ nitridschicht 180 auf der dritten Galliumnitridschicht 170 aufgewachsen. Andernfalls wird die vierte Galliumnitrid¬ schicht 180 auf der zweiten Galliumnitridschicht 160 aufge¬ wachsen .
Die vierte Galliumnitridschicht 180 weist GaN auf und kann beispielsweise eine Dicke zwischen 1000 nm und 3000 nm auf¬ weisen. Die vierte Galliumnitridschicht 180 wird hoch do¬ tiert. Beispielsweise kann die vierte Galliumnitridschicht 180 eine Silizium-Dotierung mit einem Dotiergrad von 1 x 1019/cm3 aufweisen. Die vierte Galliumnitridschicht 180 kann als Stromverteilungsschicht der Schichtstruktur 100 des optoelektronischen Bauelements 10 dienen.
In einem weiteren Verfahrensschritt zur Herstellung der Schichtstruktur 100 wird eine funktionale Schichtstruktur 190 auf die vierte Galliumnitridschicht 180 aufgewachsen. Die funktionale Schichtstruktur 190 kann beispielsweise eine LED- Schichtstruktur sein. Dann enthält die funktionale Schichtstruktur 190 eine lichtemittierende aktive Schicht. Nach dem Herstellen der Schichtstruktur 100 durch epitaktisches Wachstum wird die Schichtstruktur 100 abgekühlt. Wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats 110 und der übrigen Schichten der Schichtstruktur 100 treten dabei tensile Verspannungen bzw. Zugspannungen auf, die durch die in die Schichtstruktur 100 eingebaute kom- pressive Verspannung kompensiert werden. Dadurch wird einer Beschädigung der Schichtstruktur 100 entgegengewirkt. Die während des epitaktischen Wachstums der Schichtstruktur 100 in der Schichtstruktur 100 angelegte kompressive Verspan- nung kann dabei durch das Ausbilden der zweiten Gallium- nitridschicht 160 als undotierte Schicht einen größeren Wert annehmen, als dies bei einem Aufwachsen der Galliumnitridschicht 160 als dotierte Schicht der Fall wäre. Zur Illustra¬ tion dieses Sachverhalts zeigt Fig. 2 ein Krümmungsdiagramm 200.
Auf einer horizontalen Achse des Krümmungsdiagramms 200 ist eine Wachstumszeit 201 in Sekunden aufgetragen. Die angegebe¬ ne Zeit ist eine während des Aufwachsens der zweiten Gallium¬ nitridschicht 160 verstrichene Zeit und korreliert daher mit der Dicke der zweiten Galliumnitridschicht 160. Auf einer vertikalen Achse des Krümmungsdiagramms 200 ist eine Krümmung 202 der Schichtstruktur 100 in 1/km aufgetragen. Eine höhere Krümmung bedeutet dabei eine höhere kompressive Verspannung in der Schichtstruktur 100 und ist somit wünschenswert.
Ein erster Krümmungsverlauf 210 gibt die zeitabhängige Zunah¬ me der Krümmung bei einer ersten Probe an, bei der die auf die aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht folgende Gallium¬ nitridschicht stark dotiert wurde. Ein zweiter Krümmungsver- lauf 220 gibt die zeitabhängige Entwicklung der Krümmung bei einer zweiten Probe an, bei der die auf die aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht folgende Galliumnitridschicht niedrig mit Silizium dotiert wurde. Ein dritter Krümmungsverlauf 230 gibt die Entwicklung der Krümmung bei einer Schichtstruktur 100 an, bei der die auf die aluminiumhaltige Nitridzwischen¬ schicht 150 folgende zweite Galliumnitridschicht 160 undo¬ tiert aufgewachsen wurde.
Deutlich erkennbar ist, dass bei der Schichtstruktur 100 mit undotierter zweiter Galliumnitridschicht 160 gemäß des drit¬ ten Krümmungsverlaufs 230 die höchste Krümmung erreicht wird. Somit wird in der Schichtstruktur 100 gemäß des dritten Krüm- mungsverlaufs 230 die größtmögliche kompressible Verspannung angelegt. Dadurch kann bei der Schichtstruktur 100 gemäß des dritten Krümmungsverlaufs 230 eine während des Abkühlens der Schichtstruktur 100 nach dem Wachstum der Schichtstruktur 100 auftretende Zugspannung am vollständigsten kompensiert werden. Dadurch weist die Schichtstruktur 100 mit undotierter zweiter Galliumnitridschicht 160 gemäß des dritten Krümmungs¬ verlaufs 230 die geringste Wahrscheinlichkeit für beim Abküh¬ len der Schichtstruktur 100 auftretende Beschädigungen auf.
Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsbei¬ spiele nähere illustriert und beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Vielmehr können hieraus andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .
Bezugs zeichenliste
10 optoelektronisches Bauelement
100 Schichtstruktur
110 Substrat
120 Nukleationsschicht
130 Pufferschicht
140 erste Galliumnitridschicht
141 erste Teilschicht
142 Maskierungsschicht
143 zweite Teilschicht
150 Nitrid-Zwischenschicht
160 zweite Galliumnitridschicht (undotiert)
170 dritte Galliumnitridschicht (gradientendotiert)
180 vierte Galliumnitridschicht (Stromverteilungsschicht) 190 LED-Schichtstruktur
200 Krümmungsdiagramm
201 Zeit
202 Krümmung
210 erster Krümmungsverlauf (hoch dotiert)
220 zweiter Krümmungsverlauf (niedrig dotiert)
230 dritter Krümmungsverlauf (undotiert)

Claims

Patentansprüche
1. Optoelektronisches Bauelement (10) mit einer Schichtstruk¬ tur (100), die eine erste Galliumnitridschicht (140) und eine aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht (150) auf¬ weist,
wobei die aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht (150) an die erste Galliumnitridschicht (140) angrenzt,
wobei die Schichtstruktur (100) eine undotierte zweite Galliumnitridschicht (160) aufweist, die an die alumini¬ umhaltige Nitridzwischenschicht (150) angrenzt.
2. Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß Anspruch 1,
wobei die undotierte zweite Galliumnitridschicht (160) eine Dicke zwischen 30 nm und 2000 nm aufweist.
3. Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei die Schichtstruktur (100) eine dritte Gallium- nitridschicht (170) aufweist,
wobei die dritte Galliumnitridschicht (170) eine senk¬ recht zur Schichtebene veränderliche Silizium-Dotierung aufweist,
wobei die dritte Galliumnitridschicht (170) an die zweite Galliumnitridschicht (160) angrenzt.
4. Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß Anspruch 3,
wobei die dritte Galliumnitridschicht (170) eine Dicke zwischen 20 nm und 500 nm aufweist.
5. Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß Anspruch 3 oder 4,
wobei die Dotierung der dritten Galliumnitridschicht (170) von der Grenze zur zweiten Galliumnitridschicht (160) ausgehend zunimmt. Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei die erste Galliumnitridschicht (140) eine Dicke zwischen 500 nm und 2000 nm aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei in die erste Galliumnitridschicht (140) eine Mas¬ kierungsschicht (142) eingebettet ist, die Siliziumnitrid aufweist .
Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei die aluminiumhaltige Nitridzwischenschicht (150) eine Dicke zwischen 5 nm und 100 nm aufweist.
Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei in der aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht (150) ein Anteil an Aluminium in Richtung der undotierten zweiten Galliumnitridschicht (160) zunimmt.
Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß Anspruch 9, wobei sich der Anteil an Aluminium in der aluminiumhalti¬ gen Nitridzwischenschicht (150) zwischen der ersten Gal¬ liumnitridschicht (140) und der undotierten zweiten Gal¬ liumnitridschicht (160) mindestens verdoppelt.
Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei die Schichtstruktur (100) eine vierte Gallium¬ nitridschicht (180) aufweist,
wobei die vierte Galliumnitridschicht (180) eine Silizi¬ um-Dotierung aufweist,
wobei die vierte Galliumnitridschicht (180) an die zweite Galliumnitridschicht (160) oder an die dritte Gallium¬ nitridschicht (170) angrenzt. Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß Anspruch 11, wobei die Schichtstruktur (100) eine LED-Schichtstruktur
(190) umfasst, die an die vierte Galliumnitridschicht
(180) angrenzt.
Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei die Schichtstruktur (100) eine Mehrzahl erster Galliumnitridschichten (140) und aluminiumhaltiger Nitridzwischenschichten (150) aufweist, die abwechselnd auf¬ einander folgen.
Optoelektronisches Bauelement (10) gemäß einem der vor¬ hergehenden Ansprüche,
wobei die Schichtstruktur (100) auf einem Siliziumsub¬ strat (110) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur (100) für ein optoelektronisches Bauelement (10)
mit den folgenden Schritten:
- Abscheiden einer ersten Galliumnitridschicht (140);
- Abscheiden einer aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht (150) auf der ersten Galliumnitridschicht (140);
- Abscheiden einer undotierten zweiten Galliumnitridschicht (160) auf der aluminiumhaltigen Nitridzwischenschicht (150) .
Verfahren gemäß Anspruch 15,
wobei das Verfahren folgenden weiteren Schritt umfasst: Abscheiden einer dritten Galliumnitridschicht (170) auf der zweiten Galliumnitridschicht, wobei die dritte Galli¬ umnitridschicht (170) mit einer in Wachstumsrichtung zu¬ nehmenden Silizium-Dotierung abgeschieden wird.
17. Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16,
wobei das Verfahren folgenden weiteren Schritt umfasst: Abscheiden einer vierten Galliumnitridschicht (180), wo¬ bei die vierte Galliumnitridschicht (180) mit einer Sili zium-Dotierung abgeschieden wird.
Verfahren gemäß Anspruch 17,
wobei das Verfahren folgenden weiteren Schritt umfasst: Abscheiden einer LED-Schichtstruktur (190) auf der vierten Galliumnitridschicht (180).
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