Stand der Technik Das heteroepitaktische Wachstum von binären, ternären oder quaternären Verbindungs-halbleitern auf Saphir, SiC oder Si der Form AxByCz, Nv, Mw, wobei A, B, C ein Gruppe II- oder III-Element, N Stickstoff, M ein Gruppe V-oder VI- Element und X, Y, Z, W den Molenbruch jedes Elements dieser Verbindung darstellen, ist aufgrund der hohen Gitter- fehlanpassung ein schwer zu kontrollierender Wachstum- sprozeß, da das initiale Wachstum einen entscheidenden Einfluß auf den weiterführenden Wachstumsverlauf hat. Die kristalline Qualität einer epitaktischen Halbleiter- schicht ist demnach stark abhängig von diesem initialen Wachstum. Um die Problematiken des initialen Wachstums zu umgehen wurde eine neue, von dem bekannten Verfahren ab- weichende, initiale Wachstumsprozedur entwickelt.

Das bis dato verwendete Verfahren beruht auf einem Zwei- Schritt-Initial-Wachstumsprozeß, der sich aus einem Tief- temperatur-Wachstumsschritt, auch als Bufferschichtwachs- tum bekannt, und dem folgenden Hochtemperatur-Wachstum zusammen setzt [JP/B2/93]. Dabei ist die Wachstumsregime- änderung d. h. Übergang der kubischen in die hexagonale Kristallstruktur für die Wachstumsunterbrechung zwischen den beiden Temperaturregimen ein markanter Faktor, da hierbei davon ausgegangen wird, das eine Umkristallisie- rung der Tieftemperatur Bufferschicht stattfindet [BOY98], [MTF+98], [WKT+96].

Dieser Zwei-Schritt-Initial-Wachstumsprozeß ist aufgrund der vielfältigen Wachstumsparameteränderungen anfällig hinsichtlich Reproduzierbarkeit der Nukleationsschichten und anfällig gegen Ungleichmäßigkeiten über den Wafer.

Das hat erheblichen Einfluß auf die Eigenschaften der daraus hergestellten Bauelemente. Die Leuchtkraft und Farbe einer LED wird durch das Zwei-Schritt-Verfahren nur schwer kontrollierbar. Die elektrischen Gleichstrom und Hochfrequenzeigenschaften von FET variieren sehr stark.

Dies entspricht dem heutigen Stand der Technik zur Her- stellung von qualitativ hochwertigen Material für Stick- stoff enthaltende Halbleitermaterialien wie beispielswei- se GaN, InGaN, AlGaN, GaAsN, das heißt Halbleiter in der Form AXBYCZ, N, MW (A, B, C stellen Gruppe II-oder III- Element dar, N Stickstoff, M ein Gruppe V-oder VI- Element und X, Y, Z, W ist der Molenbruch jedes Elements in dieser Verbindung) können jedoch auch auf eine unter- schiedliche Weise hergestellt werden.

Gemäß dem Stand der Technik werden bei der Herstellung von Stickstoff enthaltenden Halbleiterschichten, die sich aus dem initialen Wachstum und den weiterem Schichtwachs- tum ergeben [WFT+98], [HNB+97], [GNL96] zuerst eine Schicht bei tiefen Temperaturen abgeschieden. Dann er- folgt eine Unterbrechung des Wachstums, und eine Tempera- turerhöhung. Während dieser Zeit erfolgt eine Veränderung der Kristallstruktur. Nach Abschluß des Vorgangs kann erst das weitere Wachstum erfolgen. Die Qualität und die elektrischen und optischen Eigenschaften der nachfolgen- den Schichten sind von der Einhaltung der notwendigen Temperaturen, Drucken, Pausen usw. extrem abhängig.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren für das in- itiale Wachstum von Stickstoff enthaltender Halbleiter- kristallmaterialien der Form AxByCz, Nv, Mw bereitzustellen, wobei A, B, C ein Gruppe II-oder III-Element, N Stick- stoff, M ein Gruppe V-oder VI-Element und X, Y, Z, W den Molenbruch jedes Elements in dieser Verbindung darstel- len, die ein 2-dimensionales epitaktisches Wachstum auf den Fremdsubstraten wie Saphir, SiC oder Si ermöglichen ohne eine abrupte Wachstumsregimeänderung durchzuführen.

Dabei wird der komplizierte Herstellungsprozeß, der auf dem bekannten Zwei-Schritt Schichtwachstum basiert, wel- cher aus einer Bufferschicht die bei tiefer Substrattem- peratur gewachsen wurde und einem weiteren Wachstum bei höherer Temperatur auf dieser Bufferschicht besteht, ver- mieden. Vorteile des neuen Verfahrens sind bessere Repro- duzierbarkeit und geringere Herstellungskosten für Bau- elemente.

Das heißt eine optimale Abstimmung der Wachstumsparameter beim initialen Wachstum soll eine abrupte Wachstumsregi- meänderung unterbinden und eine schnelleres und robuste- res initiales Wachstum mit vergleichbarer oder besserer kristalliner Qualität der Halbleiterschicht realisieren sowie neue technologische Möglichkeiten für neue Bauele- mente eröffnen.

Die neue initiale Wachstumprozedur unterbindet daher das Zwei-Schritt-Schichtwachstum und vermeidet somit den Her- stellungsprozeß mit vielen erforderlichen Verfahrens- schritten. Als Folge verringern sich die Herstellungsdau- er und die Kosten einer Stickstoff enthaltenen Halblei- terkristallschicht. Gleichzeitig werden verbesserte strukturelle, elektrische und optische Eigenschaften er- zielt.

Da die nach der Rekristallisierung (Hochheizen nach dem Bufferschichtwachstum) entstandene 3-dimensionale Mesa- Struktur für das weitere Hochtemperatur-Wachstum einen entscheidenden Einfluß für das weitere Wachstum und damit auf die gesamte Schichtqualität hat, ist dieser Prozeß ein wichtiger Bestandteil des initialen Wachstums. Bei dem initialen Wachstum mit Hilfe der Rampenfunktionen müssen daher diese entscheidenden Wachstumseffekte in die Rampenfunktion integriert sein. Dies erfolgt durch die Anpassung der Wachstumsrate, welche direkt mit dem Ga- Fluß korreliert, an die. Aufheiz-Rampenfunktion des Sub- strates. Andere wichtige Prozeßparameter wie Totalfluß und Totaldruck müssen entsprechend eingestellt sein.

Mit anderen Worten muß die Wachstumsrate und damit der Ga-Fluß so gewählt werden, daß eine in-situ Rekristalli- sierung während des Wachstums stattfindet kann.

Es ist hierbei erforderlich, daß die kritische Schicht- dicke des Stickstoff enthaltenden Halbleitermaterials auf Saphir, SiC oder Si die kritische Schichtdicke erreicht hat bevor die Rekristallisierung beim Hochheizprozeß stattfindet.

Darstellung der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung ist die Herstellung einer er- sten Schicht auf einem Substrat. Diese Schicht hat weite- ren Einfluß auf die nachfolgenden Schichten. Das heißt neben einer Festlegung der Zusammensetzung, Dotierung und Schichtfolge soll noch bei Berücksichtigung weiterer ge- wünschter, nachstehend beschriebener Eigenschaften eine optimale Abstimmung der nachfolgenden Schichten ermög- licht werden. Dabei sollen komplizierte Herstellungspro- zesse mit vielen Verfahrensschritten vermieden werden.

Als Folge verringern sich Herstellungsdauer und Herstel- lungskosten.

Die der Erfindung zugrundegelegte Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen des er- findungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8. Die der Erfindung zugrundegelegte Aufgabe wird durch einen kontinuierlichen Wachstumsprozeß gelöst.

Durch die vorteilhaften Lösungsmerkmale des Verfahrensan- spruchs 1 können definierte Schichten, Grenzflächen, ins- besondere zwischen Substrat und aktivem Bereich und Schichtfolgen bzw. Heterostrukturen und Strukturen aus diesen Halbleiterkristallmaterialien mit justierbaren elektrischen und optische Eigenschaften wie Zusammenset- zungen X, Y, Z, V, W der Verbindung von null bis 100%, spezifische elektrische Elektronenkonzentrationen bis 102° cm~3 und spezifische elektrische Löcherkonzentrationen bis 8X1019 cm~3 hergestellt werden.

Es können vorteilhaft AxByCz, NvMw-Materialien und Schicht- systeme sowie dotierte Schichtsysteme hergestellt werden.

Es kann vorteilhaft eine hohe Homogenität auch in einer lateralen Richtung erreicht werden.

Es kann vorteilhaft eine hohe Reproduzierbarkeit erreicht werden.

Es können vorteilhaft Bauelemente hergestellt werden.

Es können vorteilhaft Quantentöpfe hergestellt werden.

Es können vorteilhaft n-und p-Dotierungen gleichzeitig ausgeführt werden.

Es kann vorteilhaft eine reproduzierbare Herstellung von AxByCz, Nv, Mw-Materialien mit unterschiedlichen Zusammenset- zungen X, Y, Z, V, W und unterschiedlicher Reinheit er- möglicht werden.

Es kann vorteilhaft eine Herstellung von Grenzflächen zwischen AIxBlYCIzNmMlw/A2xB2YC2zN2vM2wschichten mit unbe- schränkt reproduzierbar justierbaren Übergangsprofilen ermöglicht werden.

Eine weitere vorteilhaft vorbestimmbare Eigenschaft ist die Oberflächenmorphologie der Halbleitermaterialien.

Weiter vorteilhaft vorbestimmbare Eigenschaften sind die Partikeldichte und die Störstellendichte auf der Wafer- oberfläche.

Ein weiterer Vorteil ist es, eine reproduzierbare und sehr gleichförmige bzw. einheitliche Aufbringung von Ax- ByCzNv Mw-Bestandteilen mit Bezug auf Dotierung, Schicht- dicke, Zusammensetzung und allen weiteren für Aufwendun- gen wichtigen Eigenschaften zu ermöglichen.

Beschrieben wird ein Verfahren für das initiale Wachstum von Stickstoff enthaltenden Halbleiterkristallmaterialien der Form AxByCzNvMw (A, B, C stellen ein Gruppe II-oder III- Element dar, N Stickstoff, M ein Gruppe V-oder VI- Element und X, Y, Z, W ist der Molenbruch jedes Elements in diese Verbindung) auf Saphir, SiC und Si unter Verwendung von verschiedenen Rampenfunktionen, die eine kontinuier- liche Änderung der Wachstumsparameter während des initia- len Wachstums ermöglichen.

Dieses neue initiale Wachstumsverfahren zeichnet sich da- durch aus, daß beim initialen Wachstumsprozeß der Stick- stoff enthaltenden Halbleiterkristallmaterialien auf Sa- phir, SiC oder Si keine abrupte Wachstumsregimeänderung erforderlich ist um eine geeignete Struktur für das wei- tere Hochtemperatur-Wachstum zu realisieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all- gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla- risch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfin- dungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.

Graphik 1 Reflektivität und Substrattemperatur als Funktion der Zeit, und Graphik 2 Erhaltene PL-Spektrum Beschreibung von Ausführungsbeispielen Beispiel für das initiale Wachstum Für das initiale Wachstum wurde das A1203-Substrat 30 min unter einer Wasserstoffatmosphäre (150mbar) auf 1200°C aufgeheizt [KWH+98]. Nach diesem Desorptions- schritt wurde dann die Substrattemperatur auf 530°C abge- senkt um eine reproduzierbare Ausgangssituation für das weitere Wachstum zu gewährleisten. Bei dieser Temperatur wurde dann NH3 mit einem Fluß von 4500 sccm in den Reaktor geleitet. Ausgehend von dieser Substrattemperatur wurde dann eine lineare Rampenfunktion (in 8min von 530°C auf 1200°C) verwendet um die übliche hohe Wachstumstemperatur von 1200°C zu erreichen. Im Moment des Beginns des Hoch- heizens wurde mit einem geringen Fluß von 20sccm TMGa in den Reaktor geleitet, der zu einem GaN-Wachstum mit ge- ringer Wachstumsrate führt.

Nachdem die reguläre Wachstumstemperatur erreicht wurde, ist dann eine Schicht mit geringer Wachstumsrate für 4 Minuten gewachsen worden. Um ein weiteres 3-dimensionales Wachstum zu vermeiden, wurde wiederrum eine Rampenfunkti- on (lineare Rampe des TMGa-Flusses von 20sccm auf 80 sccm in 15min) für die Erhöhung des TMGa-Flusses verwendet, um kontinuierlich eine höhere Wachstumsrate zu erzielen, die im Einklang mit den bekannten Wachstumsraten von 2ym/h ist. Auf dieser Anpassungsschicht wurde dann eine 2pm dicke GaN-Schicht und eine 5fach MQW GaInN/GaN abgeschie- den.

Weitere Ausführungsbeispiele : Vergleich der bekannten Wachstumsbedingungen und der neu- en hier vorgeschlagene Technologie. Als Teststruktur dient der folgende Schichtaufbau : 5x 2nm InGaN/15nm GaN 2 ttm GaN : Si buffer layer 20nm GaN nucleation layer 400ym sapphire substrate (0001) Der zeitliche Verlauf der wichtigsten Wachstumsparameter (Reaktortemperatur, Reaktordruck, N2-, H2-, TMGa-, TMIn-, TEGa-Fluß) ist in Grafik 3 dargestellt. Die Auswertung der optischen Eigenschaften ist in Tabelle 1 zusammenge- faßt.

Der Unterschied liegt im Wachstum der ersten Nukleations- schicht auf das Substrat. Im bekannten Wachstumsprozeß wird die erste Nukleationsschicht bei 530°C Unter N2 Atmo- sphäre bei 950 mbar für 8 Minuten abgeschieden. Die Schicht hat dabei kubische Bestandteile und ist nicht zu- sammenhängend. Nach der Schichtabscheidung erfolgt eine Wachstumsunterbrechung und das Aufheizen auf 1170°C. Dann erfolgt ein Ausheilschritt für 2 Minuten. Dabei erfolgt eine Umkristallisation von der kubischen Kristallphase in die hexagonale Phase. Das Wachstum der GaN-Pufferschicht erfolgt dann bei 1160°C. In dem hier erfundenen neuen Verfahren erfolgt ein kontinuierliches Wachstum beim Auf- heizen von 530°C nach 1170°C ohne jede Wachstumsunterbre- chung und ohne jeden Ausheilschritt, der eine Umkristal- lisation erlauben würde. Das Wachstum erfolgt unter H2 bei 200 mbar. Der Vergleich der Eigenschaften in Tabelle 1 zeigt eine höhere Lichtausbeute bei gleichbleibender Emissionswellenlänge.

Literatur : [JP/B2/93] Patent von Shuji, Nakamura NICHIA Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Japanisches Patentamt, Patent-Auslegungsschrift B2 Patent-Nummer : 2778405 [BOY98] K. Balakrishnan, H. Okumura, S. Yoshida Study of initial stages of heteroepitaxial growth of hexagonal GaN on sapphire by plasma assisted MBE J. Cryst. Growth 189/190,244- (1998) [HNB+97] J. Han, T. B. Ng, R. M. Biefeld, M. H. Crawford and D. M. Follstaedt The effect of H2 on morphology evolution during GaN metalorganic chemical vapor deposition Appl. Phys. Lett. 71 (21), 3114-, (1997) [MTF+98] A. Munkholm, CC. Thompson, C. M. Foster, J. A.

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