Method of epitaxy of gallium nitride on silicon substrates

摘要

Galliumnitrid (i.f. GaN) kann auf verschiedenen Substraten einkristallin abgeschieden werden. GaN-Substrate sind schwer in guter Kristallinität und gleichzeitig mit großer Fläche herzustellen und daher noch nicht verfügbar. Bevorzugtes Substratmaterial ist Saphir (Al2O3). Im Vergleich zum Silizium (i.f. Si) hat Saphir jedoch ein hohes Preis/Flächenverhältnis und kann nicht durch Dotierung elektrisch leitfähig gemacht werden. Im neuen Verfahren erfolgt die Abscheidung von GaN auf Si durch Züchtung einer AlAs-Pufferschicht bei geringen Temperaturen. Als Pufferschichten werden in bisherigen Verfahren Galliumarsenid (i.f. GaAs), Aluminiumnitrid (i.f. AlN) und Galliumnitrid (i.f. GaN) verwendet. Der Temperaturbereich ist im Falle einer GaAs-Pufferschicht auf Grund der thermischen Zersetzung von GaAs bei Temperaturen über 800°C nach oben beschränkt, für AlN und GaN auf Grund der thermischen Stabilität des Ammoniaks nach unten auf Temperaturen um 600°C beschränkt. Diese Einschränkung zu überwinden erfordert bisher kompliziertere Verfahren (z.B. plasmaunterstützte Molekularstrahlepitaxie) oder alternative Stickstoffquellen, mit denen aber bisher nicht die qualitativ gleich gute Abscheidung von GaN gelingt. Auf(100)-Oberflächen des Siliziums kann GaN sowohl in kubischer als auch in hexagonaler Kristallform aufwachsen. Die Existenz von Mischphasen ist möglich. Die Unterdrückung einer einzelnen Phase gelingt bisher nur durch die Wahl spezieller Wachstumsparameter, wie z.B. Druck, Temperatur, Partialdrücke der einzelnen Komponenten. Zusätzlich können sich beim Wachstum von GaN auf der Si(100) Oberfläche Antiphasendomänen ausbilden, deren Grenzflächen die strukturelle und optische Qualität der GaN-Schicht durch nichtstrahlende Rekombination von freien Ladungsträgern verschlechtern. Das neue Verfahren ermöglicht eine Erweiterung des Temperaturbereichs für die Züchtung der GaN-Schichten auf dem Si-Substrat, die Unterdrückung der Existenz von Mischphasen auf Si(100) Oberflächen ohne Rücksicht auf die Wahl der Prozeßparameter und das Wachstum von antiphasendomänen-freien GaN-Schichten auf Si(100) Oberflächen. Das neue Verfahren beruht auf der Abscheidung einer AlAs-Zwischenschicht direkt auf das Si-Substrat. Auf die AlAs-Schicht wird die GaN-Schicht aufgewachsen. Dieses Verfahren erweitert den zugänglichen Temperaturbereich für die Pufferschicht in den wichtigen Bereich um 400°C und für die GaN Hauptschicht in den wichtigen Bereich über 950°C. Wird das GaN Wachstum auf Si-Substraten vollzogen, deren Oberfläche in [100]-Richtung orientiert ist und mit V-förmigen Gräben mit geeignetem Abstand und geeigneter Breite präpariert wurde, so wird die Ausbildung der kubischen Phase des GaN unterdrückt. Wird eine AlAs-Schicht bei Temperaturen um 400°C auf ein 2°-6° fehlorientiertes Si(100)-Substrat abgeschieden, so ist die AlAs Schicht frei von Antiphasengrenzflächen. Die nachfolgende Abscheidung von GaN führt dann ebenfalls zu antiphasenfreien Schichten. Das Verfahren ermöglicht die Abscheidung von GaN auf Silizium-Substraten. Damit ist die Herstellung von einkristallinen GaN-Schichten mit derzeit größtmöglicher Oberfläche auf dem kostengünstigsten Substrat möglich. Durch die Dotierbarkeit von Si-Substraten ist die Herstellung von vertikalen p-n Strukturen möglich, eine für breitlückige Halbleiterbauelemente auf Grund der Selbstkompensation von Dotierstoffen und der Undotierbarkeit von anderen gebräuchlichen Substraten (wie z.B. Saphir und SiC) bisher schwierig herzustellende Struktur. Weiterer Vorteil der GaN-Herstellung auf Si-Substraten ist die mögliche Kopplung an die Sibasierte Mikroelektronik.