Method of epitaxy of gallium nitride on silicon substrates

Abstract

Abstract Translated from German 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 (Al 2 O 3 ). 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. Gallium nitride (if GaN) can be deposited as single crystals on various substrates. GaN substrates are difficult to produce in good crystallinity and at the same time have a large area and are therefore not yet available. The preferred substrate material is sapphire (Al 2 O 3 ). Compared to silicon (if Si), however, sapphire has a high price / area ratio and cannot be made electrically conductive by doping. In the new process, GaN is deposited on Si by growing an AlAs buffer layer at low temperatures. In previous processes, gallium arsenide (if GaAs), aluminum nitride (if AlN) and gallium nitride (if GaN) were used as buffer layers. The temperature range is limited in the case of a GaAs buffer layer due to the thermal decomposition of GaAs at temperatures above 800 ° C, for AlN and GaN due to the thermal stability of the ammonia down to temperatures around 600 ° C. Overcoming this limitation has hitherto required more complicated processes (for example plasma-assisted molecular beam epitaxy) or alternative nitrogen sources, which have so far not been able to deposit GaN with the same quality. GaN can grow on (100) surfaces of silicon in both cubic and hexagonal crystal form. The existence of mixed phases is possible. So far, the suppression of a single phase has only been possible through the selection of special growth parameters, such as pressure, temperature and partial pressures of the individual components. In addition, when GaN grows on the Si (100) surface, antiphase domains can form whose interfaces deteriorate the structural and optical quality of the GaN layer due to non-radiative recombination of free charge carriers. The new method enables the temperature range for the growth of the GaN layers on the Si substrate to be expanded, the existence of mixed phases on Si (100) surfaces to be suppressed without regard to the choice of process parameters and the growth of GaN layers which are free of antiphase domains on Si (100) surfaces. 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. The new process is based on the deposition of an AlAs intermediate layer directly on the Si substrate. The GaN layer is grown on the AlAs layer. This process extends the accessible temperature range for the buffer layer in the important area by 400 ° C and for the GaN main layer in the important area above 950 ° C. If the GaN growth is carried out on Si substrates, the surface of which is oriented in the [100] direction and has been prepared with V-shaped trenches with a suitable spacing and suitable width, the formation of the cubic phase of the GaN is suppressed. If an AlAs layer is deposited on a 2 ° -6 ° misoriented Si (100) substrate at temperatures around 400 ° C, the AlAs layer is free from anti-phase interfaces. The subsequent deposition of GaN then also leads to antiphase-free layers. 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. The process enables the deposition of GaN on silicon substrates. So that's it Production of single-crystalline GaN layers with currently the largest possible surface on the cheapest substrate possible. Due to the dopability of Si substrates Production of vertical p-n structures possible, one for wide-gap semiconductor components due to the self-compensation of dopants and the undotability of others common substrates (such as sapphire and SiC) structure previously difficult to manufacture. Another advantage of GaN production on Si substrates is the possible coupling to the Sibasierte Microelectronics.

Inventors

• 👤 André Strittmatter
• 👤 Dieter Prof. Dr. Bimberg
• 👤 Alois Krost

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