DE10025562C1 - Production of a nitride layer on a substrate used in the production of laser diodes comprises vaporizing gallium atoms and aluminum and/or indium atoms and irradiating substrate during vaporization with nitrogen atoms - Google Patents
Production of a nitride layer on a substrate used in the production of laser diodes comprises vaporizing gallium atoms and aluminum and/or indium atoms and irradiating substrate during vaporization with nitrogen atomsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nitrid-Schicht auf einem Substrat.The invention relates to a method for producing a Nitride layer on a substrate.
Die Erfindung betrifft ferner ein Quasisubstrat nach Anspruch 12 oder 14.The invention further relates to a quasi-substrate according to claim 12 or 14.
In Zusammenhang mit der Herstellung von Laserdioden mit der Schichtfolge GaN, InGaN und GaN ist beispielsweise aus US 5,742,628 bekannt, GaN-Schichten auf einem Substrat aufzu wachsen. Die auf das Substrat aufgewachsene GaN-Schicht bil det die Basis für die nachfolgende Schichtfolge, durch die die Laserdiodenstruktur gebildet wird.In connection with the production of laser diodes with the Layer sequence GaN, InGaN and GaN is for example off No. 5,742,628 discloses GaN layers on a substrate to grow. The GaN layer grown on the substrate bil detects the basis for the subsequent shift sequence through which the laser diode structure is formed.
In C.-W. Jeon et al., thin solid films, 270 (1995) pp. 16-21 ist die Herstellung einer GaN-Schicht auf einem Si(111)- Substrat beschrieben. Die GaN-Schicht wird epitaktisch durch gleichzeitige Beaufschlagung des Substrats mit Ga-Dampf und N2 +-Ionen aufgewachsen, wobei eine Erhöhung der Schichtquali tät mittels einer Reduzierung des Ionenflusses erreicht wird.In C.-W. Jeon et al., Thin solid films, 270 (1995) pp. 16-21 describes the production of a GaN layer on a Si (111) substrate. The GaN layer is grown epitaxially by simultaneously applying Ga vapor and N 2 + ions to the substrate, an increase in the layer quality being achieved by reducing the ion flow.
Die Abscheidung von GaN wird durch die großen Unterschiede in den Gitterkonstanten von GaN und möglichen Substraten er schwert. Die Gitterfehlanpassung zwischen GaN und Saphir be trägt beispielsweise etwa 16%, die zwischen GaN und SiC etwa 3,5%.The deposition of GaN is due to the large differences in the lattice constants of GaN and possible substrates sword. The lattice mismatch between GaN and sapphire be carries about 16%, for example, that between GaN and SiC 3.5%.
Durch die unterschiedlichen Gitterkonstanten von GaN und ei nem darunterliegenden Substrat entstehen in der GaN-Schicht Verspannungen, die durch Versetzungen abgebaut werden. Diese Versetzungen verlaufen ausgehend vom Substrat in Wachstums richtung und beeinträchtigen die Funktion nachfolgender Schichten. Insbesondere wirken die Versetzungen als nicht- strahlenden Rekombinationszentren sowie als Streuzentren für Ladungsträger. Folglich reduzieren die Versetzungen die Pho tonenausbeute. Außerdem fördern die Versetzungen die Ausbil dung lokaler Konzentrationserhöhungen von Indium in einer an die GaN-Schicht angrenzenden InGaN-Schicht. Dadurch wird die Bandlücke verringert, was die Unschärfe der Emissionswellen länge des erzeugten Laserlichts vergrößert.Due to the different lattice constants of GaN and ei The underlying substrate is created in the GaN layer Tensions that are reduced by dislocations. These Dislocations start growing from the substrate direction and impair the function below Layers. In particular, the dislocations act as non- radiating recombination centers as well as scattering centers for Charge carrier. As a result, the dislocations reduce the pho clay yield. The transfers also promote training local increases in indium concentration in one the InGaN layer adjacent to the GaN layer. This will make the Band gap reduced, causing the blur of the emission waves length of the laser light generated is increased.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung möglichst versetzungsfreier Nitrid-Schicht auf einem Substrat anzuge ben.The invention is based on this prior art the task is based on a method of manufacture as possible dislocation-free nitride layer on a substrate ben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Atome, ausgewählt aus der Gruppe der Elemente Al, Ga und In, auf das Substrat aufgedampft werden und daß die Oberfläche des Sub strats während des Aufdampfens der Atome mit Stickstoff-Ionen bestrahlt wird.This object is achieved in that atoms, selected from the group of elements Al, Ga and In on which Substrate are evaporated and that the surface of the sub strats during the vapor deposition of the atoms with nitrogen ions is irradiated.
Diese Maßnahmen ermöglichen, die Verspannungen in der aufge wachsenen Nitrid-Schicht vorwiegend durch nulldimensionale Punktdefekte abzubauen, ohne daß in Wachstumsrichtung verlau fende Versetzungen entstehen. Dadurch erhält man Nitrid- Schichten mit im Vergleich zum Stand der Technik höherer kri stalliner Qualität, die sich als Quasisubstrate für die Her stellung von Bauelementen eignen. Unter einem Quasisubstrat ist dabei im Unterschied zu einem herkömmlichen homogenen und einkristallinen Substrat ein Substrat in Form eines Grundsub strates mit einer auf eine Grundsubstratoberfläche aufge brachten weiteren Schicht zu verstehen.These measures allow the tension in the up growing nitride layer predominantly through zero-dimensional Dismantle point defects without getting stuck in the growth direction Effective transfers arise. This gives you nitride Layers with higher kri compared to the prior art stallin quality, which can be used as quasi substrates for the manufacturer position of components. Under a quasi-substrate is different from a conventional homogeneous and single crystal substrate a substrate in the form of a basic sub strates with a on a base substrate surface brought another layer to understand.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist die kinetische Energie der Stickstoff-Ionen so gewählt, daß diese zwischen der Verlagerungsenergie der Stickstoff-Ionen im Vollmaterial und der Verlagerungsenergie an der Oberfläche der Nitrid- Schicht liegt. In one embodiment of the method, the kinetic Energy of the nitrogen ions chosen so that this between the displacement energy of the nitrogen ions in the solid material and the displacement energy on the surface of the nitride Layer.
Damit ist die Energie der Stickstoff-Ionen so hoch, daß sie genügend weit auf der Oberfläche der Nitrid-Schichten diffun dieren und dadurch die für sie vorgesehenen Stellen im Kri stallgitter auffinden können. Gleichzeitig ist die Energie der Stickstoff-Ionen so gering, daß die Strahlenschäden auf die oberste Atomlage der Nitrid-Schicht beschränkt bleiben.So the energy of the nitrogen ions is so high that it diffuse enough on the surface of the nitride layers dieren and thereby the designated places in Kri can find stall bars. At the same time is the energy the nitrogen ions so low that the radiation damage on the top atomic layer of the nitride layer remains limited.
Durch die Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung ent stehen insbesondere Quasisubstrate mit einer GaN-Schicht mit einer geringen Flächendichte an Versetzungen in der GaN- Schicht. Die geringe Flächendichte an Versetzungen macht sich vor allem durch ein charakteristisches Rutherford-Rückstreu- Spektrum bemerkbar. Insbesondere weist der dem Gallium zuor denbare Teil des durch Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie er mittelten geführten Spektrums zwischen den durch die Substra toberfläche und die Schichtoberfläche hervorgerufenen Maxima ein Minimum auf, das weniger als 10% des ungeführten Spek trums bei dieser Energie beträgt. Ein derartiges Spektrum ist charakteristisch für eine geringe Flächendichte an Versetzun gen und Defekten. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.By using the method according to the invention ent are in particular quasi substrates with a GaN layer a low surface density of dislocations in the GaN Layer. The low areal density of dislocations makes itself felt especially with a characteristic Rutherford backscatter Spectrum noticeable. In particular, it assigns gallium part of the he by Rutherford backscatter spectrometry averaged spectrum between those by the substra surface and the maxima caused by the layer surface a minimum that is less than 10% of the unguided spec at this energy. Such a spectrum is characteristic of a low areal density at offset conditions and defects. Further advantageous embodiments of the Invention are the subject of the dependent claims.
Nachfolgend wird die Erfindung im einzelnen anhand der beige fügten Zeichnung erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to the beige added drawing explained. Show it:
Fig. 1 ein herkömmliches Quasisubstrat mit einem Bauelement; Fig. 1, a conventional quasi-substrate with a device;
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Quasisubstrat ge mäß der Erfindung; Fig. 2 is a cross section through a quasi-substrate accelerator as the invention;
Fig. 3 eine Darstellung der zum Aufwachsen der GaN- Schicht verwendeten Vorrichtung; FIG. 3 shows the device used to grow the GaN layer; FIG.
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Probe in einem Röntgendiffraktometer; Fig. 4 is a perspective view of a sample in a X-ray diffractometer;
Fig. 5 ein θ-2θ-Beugungsspektrum einer GaN-Schicht eines Quasisubstrats gemäß der Erfindung; Fig. 5 is a θ-2θ diffraction spectrum of a GaN layer of a quasi substrate according to the invention;
Fig. 6 eine Rocking-Kurve einer GaN-Schicht auf ei nem Quasisubstrat gemäß der Erfindung; Fig. 6 shows a rocking curve of a GaN layer on egg nem quasi substrate according to the invention;
Fig. 7a und b eine {113}-Röntgen-Polfigur von c-Saphir so wie die zugehörige {112}-Polfigur der darauf aufgewachsenen dünnen GaN-Schicht; Fig. 7a and b a {113} pole figure of -Röntgen-c-Sapphire as the related {112} pole figure of the GaN grown thereon thin layer;
Fig. 8 ein geführtes und ein ungeführtes Rutherford- Rückstreu-Spektrum einer GaN-Schicht eines Quasisubstrats; Fig. 8 is a guided and unguided Rutherford backscattering spectrum of a GaN layer of a quasi substrate;
Fig. 9 ein Diagramm, das eine Wachstumsratenrampe anhand der Temperatur der Effusionszelle dar stellt; 9 is a diagram that provides a ramp growth rates based on the temperature of the effusion cell.
Fig. 10a und b Rocking-Kurven von ohne Wachstumsratenrampe und mit Wachstumsratenrampe hergestellten Quasisubstraten; FIG. 10a and b Rocking curves of produced without growth rates ramp and with growth rates ramp quasi substrates;
Fig. 11a und b Rutherford-Rückstreu-Spektren von ohne Wachs tumsratenrampe und mit Wachstumsratenrampe hergestellten Quasisubstraten; und Fig. 11a and b Rutherford backscatter spectra of growth rate ramp without growth and with quasi substrates produced with growth rate ramp; and
Fig. 12a und b rasterkraftmikroskopische Aufnahmen von GaN- Schichten von ohne Wachstumsratenrampe und mit Wachstumsratenrampe hergestellten Quasi substraten. Fig. 12a and b atomic force micrographs of GaN layers of produced without growth rates ramp and with growth rates ramp quasi substrates.
Fig. 1 zeigt ein herkömmliches Quasisubstrat 1, das auf ei nem Grundsubstrat 2 eine GaN-Schicht 3 aufweist, an die sich das eigentliche Bauelement 4 mit seiner Schichtfolge an schließt. Für das Grundsubstrat 2 werden üblicherweise Mate rialien wie Al2O3, SiC, Si, Mg2O4, ZnO und GaAs verwendet. Die Abscheidung der GaN-Schicht ist durch die großen Unterschiede in den Gitterkonstanten von GaN und den für das Grundsubstrat 2 in Frage kommenden Materialien mit Schwierigkeiten verbun den. Die Gitterfehlanpassung zwischen GaN und Al2O3 beträgt beispielsweise 16%, die zwischen GaN und SiC etwa 3,5%. Aufgrund der unterschiedlichen Gitterkonstanten von GaN und den für das Grundsubstrat 2 in Frage kommenden Materialien bilden sich im allgemeinen in der GaN-Schicht 3 Verspannungen aus, die durch in Wachstumsrichtung verlaufende, fadenförmige Versetzungen 5 abgebaut werden. Die fadenförmigen Versetzun gen 5 können sich in den Bereich des Bauelements 4 fortsetzen. Dort begünstigen sie die Anregung von Phononen bei der Rekombination der Ladungsträger im Bauelement 4 und reduzie ren die Photonenausbeute. Falls es sich bei dem Bauelement 4 um eine Laserdiode mit der Schichtenfolge GaN-InGaN-GaN han delt, können sich an den fadenförmigen Versetzungen 5 lokal erhöhte Konzentration an Indium ausbilden. Dadurch wird an dieser Stelle der Bandabstand verringert, was zu einer Ver breitung der Unschärfe der Emissionswellenlänge der Laser diode führt. Fig. 1 shows a conventional quasi-substrate 1 having on egg nem base substrate 2, a GaN layer 3, the actual device 4 connects with its layer sequence on. Materials such as Al 2 O 3 , SiC, Si, Mg 2 O 4 , ZnO and GaAs are usually used for the base substrate 2 . The deposition of the GaN layer is associated with difficulties due to the large differences in the lattice constants of GaN and the materials that are possible for the base substrate 2 . The lattice mismatch between GaN and Al 2 O 3 is, for example, 16%, that between GaN and SiC is about 3.5%. Due to the different lattice constants of GaN and the materials that are possible for the base substrate 2, stresses generally form in the GaN layer 3 , which are reduced by thread-like dislocations 5 running in the growth direction. The filamentous conditions 5 can continue in the area of the component 4 . There, they promote the excitation of phonons when the charge carriers are recombined in component 4 and reduce the photon yield. If the component 4 is a laser diode with the layer sequence GaN-InGaN-GaN, locally increased concentrations of indium can form at the thread-like dislocations 5 . As a result, the band gap is reduced at this point, which leads to a spreading of the blur of the emission wavelength of the laser diode.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Quasisubstrat 6 ist zwischen Grundsubstrat 2 und Bauelement 4 eine GaN-Schicht 7 ausgebil det. Die GaN-Schicht 7 wird durch Aufdampfen von Gallium auf das Grundsubstrat 2 unter gleichzeitiger Bestrahlung mit Stickstoff-Ionen hergestellt. Die auf diese Weise hergestell te GaN-Schicht 7 weist keine fadenförmigen Versetzungen 5 auf. Dementsprechend verfügt das Bauelement 4 im Vergleich zum Stand der Technik über eine wesentlich größere Effizienz.In the quasi-substrate 6 shown in FIG. 2, a GaN layer 7 is formed between the base substrate 2 and the component 4 . The GaN layer 7 is produced by evaporating gallium onto the base substrate 2 with simultaneous irradiation with nitrogen ions. The GaN layer 7 produced in this way has no thread-like dislocations 5 . Accordingly, the component 4 has a significantly greater efficiency compared to the prior art.
In Fig. 3 ist eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens dargestellt. Zum Aufdampfen der Gallium-Atome auf das Grund substrat 2 ist eine Effusionszelle 8 vorgesehen, die im Tem peraturbereich zwischen 970 und 1050°C betrieben wird. Da durch ergibt sich ein Galliumfluß von maximal 2 × 1015 Ato me/cm2/s. Die Temperatur des Grundsubstrats 2 wird zwischen Raumtemperatur und 900°C, vorzugsweise zwischen 600 und 800°C gewählt.In Fig. 3 is illustrated an apparatus for practicing the method. For evaporation of the gallium atoms on the base substrate 2 , an effusion cell 8 is provided, which is operated in the temperature range between 970 and 1050 ° C. This results in a maximum gallium flow of 2 × 10 15 atoms / cm 2 / s. The temperature of the base substrate 2 is chosen between room temperature and 900 ° C, preferably between 600 and 800 ° C.
Zum Erzeugen der Stickstoff-Ionen ist eine Ionenquelle 9 vor gesehen. Die Ionenquelle 9 erzeugt einen Stickstoffionenfluß, in dem die Stickstoff-Ionen kinetische Energien zwischen 10 und 1500 eV aufweisen. Um zu gewährleisten, daß die Stick stoff-Ionen auf der Oberfläche der GaN-Schicht 7 ausreichend lange diffundieren können, sollte die Energie der Stickstoff- Ionen möglichst oberhalb der Verlagerungsenergie der Stick stoff-Ionen auf der Oberfläche der aufzuwachsenden GaN- Schicht 7 liegen. Um andererseits die Strahlenschäden möglichst gering zu halten, sollte die kinetische Energie der Stickstoff-Ionen möglichst unterhalb oder nur wenig oberhalb der Verlagerungsenergie der Gallium-Atome in der GaN-Schicht 7 liegen. Die kinetische Energie der Stickstoff-Ionen sollte daher im Bereich von 15 bis 40 eV liegen.To generate the nitrogen ions, an ion source 9 is seen before. The ion source 9 generates a nitrogen ion flow in which the nitrogen ions have kinetic energies between 10 and 1500 eV. In order to ensure that fabric-ions on the surface of the GaN layer 7, the stick can diffuse sufficiently long, the energy of the nitrogen ions should preferably be above the displacement energy of the embroidery cloth ions on the surface of the GaN layer 7 are to be grown. On the other hand, in order to keep the radiation damage as low as possible, the kinetic energy of the nitrogen ions should be as low as possible or only slightly above the displacement energy of the gallium atoms in the GaN layer 7 . The kinetic energy of the nitrogen ions should therefore be in the range from 15 to 40 eV.
Die Ionenstromdichte der von der Ionenquelle 9 erzeugten Ströme sollte unterhalb von 750 µA/cm2 liegen. Damit ergibt sich ein Verhältnis von Anzahl der Stickstoff-Ionen zu Galli um-Atomen zwischen 0,1 und 30.The ion current density of the currents generated by the ion source 9 should be below 750 µA / cm 2 . This results in a ratio of the number of nitrogen ions to gallium atoms between 0.1 and 30.
Mit der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung wurden auf einem Grundsubstrat 2 aus Al2O3 GaN-Schichten 7 mit einer Dicke von 300 nm aufgewachsen.The device shown in FIG. 3 was used to grow on a base substrate 2 made of Al 2 O 3 GaN layers 7 with a thickness of 300 nm.
Zur strukturellen Analyse der auf dem Grundsubstrat 2 aufge wachsenen GaN-Schichten 7 wurden Röntgen-Beugungsmessungen durchgeführt, deren Ergebnisse anhand der nachfolgenden Figu ren vorgestellt werden. Die dabei verwendeten Winkelangaben sollen zunächst anhand Fig. 4 erläutert werden.For structural analysis of the GaN layers 7 grown on the base substrate 2 , X-ray diffraction measurements were carried out, the results of which are presented using the following figures. The angle information used here will first be explained with reference to FIG. 4.
In Fig. 4 ist eine Probe 10 dargestellt, auf deren Oberflä che 11 ein einfallender Röntgenstrahl 12 trifft. Der einfal lende Röntgenstrahl 12 wird an den Gitterebenen der Probe 10 reflektiert und bildet einen abgebeugten Röntgenstrahl 13. Der einfallende Röntgenstrahl 12 und der abgebeugte Röntgen strahl 13 spannen eine Einfallsebene auf, in der auch ein Diffraktometerkreis 14 eines Detektors liegt. Während der Messung kann nun die Probe 10 um verschiedene Raumachsen ge dreht werden. Eine in der Einfallsebene und entlang der Ober fläche 11 verlaufende Raumrichtung wird als χ-Achse bezeich net. Die parallel zur Flächennormalen der Oberfläche 11 ver laufende Raumrichtung wird ϕ-Achse 16 genannt. Die senkrecht zur Einfallsebene ausgerichtete Richtung, die parallel zur Oberfläche 11 verläuft, trägt schließlich die Bezeichnung 2θ/θ-Achse oder ω-Achse 17. In FIG. 4, a sample 10 is illustrated, che their Oberflä 11, an incident X-ray 12 is incident. The incident X-ray beam 12 is reflected on the grating planes of the sample 10 and forms a diffracted X-ray beam 13 . The incident x-ray beam 12 and the diffracted x-ray beam 13 span an incidence plane in which a diffractometer circuit 14 of a detector is located. During the measurement, the sample 10 can now be rotated about different spatial axes. A spatial direction running in the plane of incidence and along the upper surface 11 is referred to as the χ axis. The direction of space parallel to the surface normal of the surface 11 is called the ϕ-axis 16 . The direction oriented perpendicular to the plane of incidence, which runs parallel to the surface 11 , finally bears the designation 2 θ / θ axis or ω axis 17 .
Anhand der Fig. 5 wird deutlich, daß die auf c-Saphir unter 25 eV-Ionenbestrahlung abgeschiedenen dünnen GaN-Schichten 7 eine ausgeprägte kristalline Struktur mit einer deutlichen Vorzugsrichtung aufweisen. Die in Fig. 5 enthaltenen Beu gungsreflexe lassen sich eindeutig der wurtzitischen oder auch hexagonalen GaN-Phase zuordnen.It is clear from FIG. 5 that the thin GaN layers 7 deposited on c-sapphire under 25 eV ion irradiation have a pronounced crystalline structure with a clear preferred direction. The diffraction reflections contained in FIG. 5 can be clearly assigned to the wurtzitic or also hexagonal GaN phase.
Die kleine Halbwertsbreite des ω-Spektrums in Fig. 6 zeigt, daß die GaN-Schicht 7 nur eine sehr geringe Mosaizität auf weisen. Daraus folgt die hohe kristalline Qualität der GaN- Schicht 7. Daß die GaN-Schicht in der Tat epitaktisch auf dem Grundsubstrat 2 aufgewachsen ist, kann man den in Fig. 7a und b dargestellten Röntgen-Polfiguren entnehmen. Zur Aufnah me der in Fig. 7a und b dargestellten Polfiguren wird der Detektor in ein Beugungsmaximum gefahren und die Probe 10 sukzessive um die χ-Achse 15 verkippt. Bei festem χ-Winkel wird die Probe 10 dann um 360° um die ϕ-Achse 16 gedreht. In den in den Fig. 7a und b dargestellten Polfiguren ist die Länge der Pfeile 18 ein Maß für den χ-Winkel.The small half width of the ω spectrum in FIG. 6 shows that the GaN layer 7 has only a very low mosaicity. The high crystalline quality of the GaN layer 7 follows from this. That the GaN layer has indeed grown epitaxially on the base substrate 2 can be seen from the X-ray pole figures shown in FIGS. 7a and b. For Recordin in Fig. 7a and b shown pole figures me the detector is moved in a diffraction peak and the sample 10 is tilted gradually to the χ-axis 15. With a fixed χ angle, the sample 10 is then rotated through 360 ° about the ϕ axis 16 . In the pole figures shown in FIGS . 7a and b, the length of the arrows 18 is a measure of the χ angle.
Die sechs Poldichtemaxima 19 der {112}-Polfigur der GaN- Schicht 7, die die hexagonale Symmetrie der GaN-Schicht 7 wi derspiegelt, sind von äußerst geringer Halbwertsbreite, ver gleichbar mit den Poldichtemaxima 20 der {113}-Polfigur des Grundsubstrats 2, die in Fig. 7a dargestellt ist. Aus den einander entsprechenden Polfiguren des Grundsubstrats 2 und der GaN-Schicht 7 lassen sich folgende epitaktische Beziehun gen ableiten, die mit denen aus der Literatur übereinstimmen: GaN (0001) ∥ Al2O3 (0001) und GaN [2110] ∥ Al2O3 [1100]. Diese Beziehungen gelten für das Aufwachsen der GaN-Schicht 7 auf c-Saphir. Die GaN-Schicht 7 wächst daher c-Achsen- orientiert auf c-Saphir auf.The six pole density maxima 19 of the {112} pole figure of the GaN layer 7 , which reflects the hexagonal symmetry of the GaN layer 7 , are of extremely narrow half-width, comparable to the pole density maxima 20 of the {113} pole figure of the base substrate 2 , which is shown in Fig. 7a. The following epitaxial relationships can be derived from the corresponding pole figures of the base substrate 2 and the GaN layer 7 , which correspond to those from the literature: GaN (0001) ∥ Al 2 O 3 (0001) and GaN [2110] ∥ Al 2 O 3 [1100]. These relationships apply to the growth of the GaN layer 7 on c-sapphire. The GaN layer 7 therefore grows c-axis oriented on c-sapphire.
Zur Detektion von Defekten nicht zu kleiner Dichte in Kri stallen eignet sich im besonderen Maße die Rutherford- Rückstreu-Spektrometrie unter Ionengitterführung, die ergän zend zur Strukturuntersuchung durch Röntgenbeugung herangezogen wurde. Die hier durchgeführten Untersuchungen wurden mit der Hilfe von He2+-Ionen mit einer Energie von 2,5 MeV durch geführt. In Fig. 8 ist die Zahl der Rückstreuereignisse ge gen die Energie der rückgestreuten Helium-Ionen aufgetragen. In Fig. 8 ist sowohl ein ungeführtes Spektrum 21 als auch ein geführtes Spektrum 22 dargestellt. Bei einem geführten Spektrum ist das Substrat so zum Ionenstrahl orientiert, daß eine Führung (Channeling) der Ionen durch das Kristallgitter des Substrats erfolgt. Bei einem ungeführten Spektrum hinge gen sind Substrat und Ionenstrahl so zueinander angeordnet, daß diese Führung nicht eintritt.Rutherford backscattering spectrometry with ion lattice guidance is particularly suitable for the detection of defects in crystals that are not too small, and was additionally used for structural analysis by X-ray diffraction. The investigations carried out here were carried out with the help of He 2+ ions with an energy of 2.5 MeV. In FIG. 8, the number of backscattering events Ge Gen the energy of the back-scattered helium ions applied. In FIG. 8 is both an unguided spectrum 21 as well as a run spectrum 22 is illustrated. In the case of a guided spectrum, the substrate is oriented towards the ion beam in such a way that the ions are guided (channeled) through the crystal lattice of the substrate. In the case of an unguided spectrum, substrate and ion beam are arranged with respect to one another such that this guidance does not occur.
Das ungeführte Spektrum 21 gibt im wesentlichen die Stöchio metrie der Schichten wieder. Da die Helium-Ionen bei der Auf nahme des geführten Spektrums in den Gitterkanälen des Quasi substrats 6 weit in das Quasisubstrat 6 eindringen können, ohne zurückgestreut zu werden, weist das geführte Spektrum 22 im allgemeinen eine geringere Zählrate auf. Dies gilt insbe sondere dann, wenn die Gitterkanäle des Quasisubstrats 6 nicht durch Versetzungen oder Defekte gestört sind. Daher ist der Abstand zwischen ungeführtem Spektrum 21 und geführtem Spektrum 22 ein Maß für die Anzahl von Defekten.The unguided spectrum 21 essentially reflects the stoichiometry of the layers. The guided spectrum in lattice channels of the quasi 6 may penetrate far into the quasi-substrate 6 because the helium ions in the acquisition on the substrate without being scattered back, has the spectrum led 22 generally to a lower count rate. This applies in particular when the lattice channels of the quasi substrate 6 are not disturbed by dislocations or defects. The distance between the unguided spectrum 21 and the guided spectrum 22 is therefore a measure of the number of defects.
Aufgrund der hohen Masse der Gallium-Atome weisen die an den Gallium-Atomen in der GaN-Schicht 7 zurückgestreuten Helium- Ionen eine besonders hohe kinetische Energie auf. Das unge führte Spektrum 21 und das geführte Spektrum 22 weisen daher im Bereich von 2 MeV besonders hohe Zählraten auf. Insbeson dere das geführte Spektrum 22 weist ein erstes Maximum 23 auf, das vor allem von der Streuung der Helium-Ionen an den Gallium-Atomen auf der Oberfläche der GaN-Schicht 7 herrührt. Das erste Maximum 23 stammt jedoch nicht nur von der Rück streuung der Helium-Ionen an den Gallium-Atomen auf der Ober fläche der GaN-Schicht 7, sondern unter Umständen auch von der Streuung an Gallium-Tröpfchen auf der Oberfläche der GaN- Schicht 7. Ferner weist das geführte Spektrum 22 ein Maximum 24 auf, das auf der Rückstreuung von Helium-Ionen im Bereich der Grenzfläche zwischen GaN-Schicht 7 und dem Grundsubstrat 2 beruht. Denn aufgrund der großen Gitterfehlanpassung zwi schen der GaN-Schicht 7 und dem Quasisubstrat 6 aus Saphir ist im Bereich der Grenzfläche zwischen der GaN-Schicht 7 und dem Grundsubstrat 2 eine große Zahl von Versetzungen vorhan den, die erst mit zunehmender Schichtdicke der GaN-Schicht 7 durch gegenseitiges Auslöschen der Versetzungen verringert wird.Because of the high mass of the gallium atoms, the helium ions scattered back on the gallium atoms in the GaN layer 7 have a particularly high kinetic energy. The unguided spectrum 21 and the guided spectrum 22 therefore have particularly high count rates in the range of 2 MeV. In particular, the guided spectrum 22 has a first maximum 23 , which mainly results from the scattering of the helium ions on the gallium atoms on the surface of the GaN layer 7 . However, the first maximum 23 does not only originate from the backscattering of the helium ions on the gallium atoms on the surface of the GaN layer 7 , but also under certain circumstances from the scattering of gallium droplets on the surface of the GaN layer 7 . Furthermore, the guided spectrum 22 has a maximum 24 , which is based on the backscattering of helium ions in the region of the interface between GaN layer 7 and the base substrate 2 . Because of the large lattice mismatch between the GaN layer 7 and the quasi-substrate 6 made of sapphire, a large number of dislocations is present in the area of the interface between the GaN layer 7 and the base substrate 2 , which only occurs with increasing layer thickness of the GaN layer 7 is reduced by mutually canceling the dislocations.
Zwischen dem ersten Maximum 23 und dem zweiten Maximum 24 des geführten Spektrums 22 befindet sich ein Minimum 25, in dem die Zahl der Rückstreuereignisse nur 2,4% der Zahl der Rück streuereignisse des ungeführten Spektrums 21 bei dieser Ener gie beträgt. Der niedrige Wert dieses Minimums 25 belegt die gute Kristallinität der GaN-Schicht 7 und die geringe Zahl von Defekten und Versetzungen in der GaN-Schicht 7. Von Be deutung ist ferner, daß der kritische Winkel für die Ionen gitterführung bei der gewählten Energie der Helium-Ionen von 2,5 MeV etwa 0,7° beträgt. Auch dies ist ein Indiz für gute Kristallinität der GaN-Schicht 7.Between the first maximum 23 and the second maximum 24 of the guided spectrum 22 there is a minimum 25 in which the number of backscatter events is only 2.4% of the number of backscatter events of the unguided spectrum 21 at this energy. The low value of this minimum 25 demonstrates the good crystallinity of the GaN layer 7 and the small number of defects and dislocations in the GaN layer 7 . From Be meaning is also that the critical angle for the ion grid guide at the selected energy of the helium ions of 2.5 MeV is about 0.7 °. This is also an indication of good crystallinity of the GaN layer 7 .
Die kristalline Qualität der GaN-Schicht 7 läßt sich nachhal tig verbessern, indem zu Beginn des Aufwachsprozesses bei konstanter Substrattemperatur und bei konstantem Stick stoff-Ionenfluß der Galliumfluß von einem anfänglich niedri gen Wert kontinuierlich auf einen Endwert erhöht wird. Da zu Beginn des Wachstumsprozesses der Galliumfluß die die Wachs tumsrate bestimmende Größe ist, ist es gerechtfertigt, von einer Wachstumsratenrampe zu sprechen.The crystalline quality of the GaN layer 7 can be sustainably improved by continuously increasing the gallium flow from an initially low value to an end value at the beginning of the growth process at a constant substrate temperature and with a constant nitrogen ion flow. Since at the beginning of the growth process the gallium flow is the variable that determines the growth rate, it is justified to speak of a growth rate ramp.
Die nachfolgend vorgestellten Messungen wurden an zwei ver schiedenen Probentypen durchgeführt. Bei beiden Proben wurde eine 300 nm dicke GaN-Schicht 7 auf c-Saphir abgeschieden. Bei einem Probentyp wurde über eine Dauer von 20 Minuten die Effusionszellentemperatur von 970 auf 1020°C bei konstanter Substrattemperatur von 700°C erhöht und danach bei dieser Temperatur weitergewachsen. Die über die Temperatur der Effu sionszelle 8 ausgeführte Rampe ist in Fig. 9 dargestellt. Die mit der jeweiligen Temperatur (TEZ) der Effusionszelle 8 verknüpften Galliumflüsse sind in Tabelle 1 aufgeführt. The measurements presented below were carried out on two different sample types. In both samples, a 300 nm thick GaN layer 7 was deposited on c-sapphire. In one sample type, the effusion cell temperature was increased from 970 to 1020 ° C over a period of 20 minutes at a constant substrate temperature of 700 ° C and then continued to grow at this temperature. The ramp executed via the temperature of the effu sion cell 8 is shown in FIG. 9. The gallium flows associated with the respective temperature (TEZ) of the effusion cell 8 are listed in Table 1.
Dieses Verfahren wird im folgenden kurz als Herstellung mit Rampe bezeichnet.This process is briefly referred to below as production Ramp designated.
Beim zweiten Probentyp wurde dagegen der Wachstumsprozeß so fort mit einer Temperatur der Effusionszelle 8 von 1020°C be gonnen. Die Temperatur des Grundsubstrats 2 betrug 700°C.In the second type of sample, on the other hand, the growth process was started immediately with a temperature of the effusion cell 8 of 1020 ° C. The temperature of the base substrate 2 was 700 ° C.
Den in Fig. 10a und Fig. 10b dargestellten Rocking-Kurven kann entnommen werden, daß durch die Anwendung der Rampe die Halbwertsbreite um nahezu einen Faktor 2 verringert werden kann. Dies bedeutet, daß die Verkippung der GaN-Kristallite um die Wachstumsrichtung durch die Herstellung mit Rampe deutlich reduziert werden kann. . In the Fig 10a and Fig. 10b rocking curves shown it can be seen that the half-value width can be reduced by almost a factor of 2 by the application of the ramp. This means that the tilting of the GaN crystallites around the growth direction can be significantly reduced by manufacturing with a ramp.
Weiterhin tritt bei der Verwendung der Rampe ein Phasenselek tionseffekt auf. Durch Aufnahme von ϕ-Scans der kubischen (111)-Reflexe sowie der hexagonalen (101)-Reflexe wurde her ausgefunden, daß die ohne Rampe abgeschiedenen GaN-Schichten 7 einen deutlichen Anteil der kubischen Phase durch verein zeltes oder gehäuftes Auftreten von Stapelfehlern sowie kubi schen Zwillingen besitzen. Furthermore, a phase selection effect occurs when using the ramp. By recording ϕ-scans of the cubic (111) reflections and the hexagonal (101) reflections, it was found that the GaN layers 7 deposited without a ramp accounted for a significant portion of the cubic phase due to the occasional or frequent occurrence of stacking errors as well as cubic own twins.
Darüber hinaus wirkt sich die Verwendung der Rampe auch vor teilhaft auf die Tiefenverteilung der Defekte aus. Dies wird anhand den in den Fig. 11a und 11b gezeigten Rutherford- Rückstreu-Spektren deutlich. Aus Fig. 11a geht hervor, daß das zweite Maximum 24 des geführten Spektrums 22 nahezu 50% des ungeführten Spektrums 21 beträgt. Ein Minimum ist nicht vorhanden. Vielmehr nimmt die Zahl der Rückstreuergebnisse zum ersten Maximum 23 hin langsam auf 13,9% ab. Die in den Röntgenmessungen identifizierte kubische Phase führt in vie len Fällen zu Großwinkelstreuung und damit zu einer Erhöhung der Rückstreuausbeute. Das in Fig. 11b dargestellte geführte Spektrum 22 einer mit Rampe hergestellten GaN-Schicht 7 zeichnet sich insgesamt durch eine wesentlich geringere Rück streuausbeute aus. Außerdem weist das geführte Spektrum 22 in der Fig. 11b ein ausgeprägtes erstes Maximum 23 und ein aus geprägtes zweites Maximum 24 mit einem dazwischenliegenden Minimum 25 auf.In addition, the use of the ramp also has a partial impact on the depth distribution of the defects. This becomes clear from the Rutherford backscatter spectra shown in FIGS. 11a and 11b. From Fig. 11a shows that the second peak 24 is the guided spectrum 22 almost 50% of the unguided spectrum 21st There is no minimum. Rather, the number of backscatter results slowly decreases to 13.9% towards the first maximum 23 . The cubic phase identified in the X-ray measurements leads in many cases to large-angle scattering and thus to an increase in the backscattering yield. The guided spectrum 22 shown in FIG. 11b of a GaN layer 7 produced with a ramp is characterized overall by a substantially lower backscattering yield. In addition, the guided spectrum 22 in FIG. 11b has a pronounced first maximum 23 and a pronounced second maximum 24 with an intermediate minimum 25 .
Die Anwendung der Rampe hat schließlich nicht nur Auswirkun gen hinsichtlich der Struktur, sondern auch bezüglich der To pographie der GaN-Schicht 7, wie die rasterkraftmikroskopi schen Aufnahmen in den Fig. 12a und 12b beweisen. Die Oberfläche der ohne Rampe hergestellten GaN-Schicht 7 ist deutlich rauher als die Oberfläche der mit Rampe hergestell ten GaN-Schicht 7. Dies zeigt sich auch in der für diese Oberflächen jeweils ermittelten mittleren quadratische Rau higkeit (RMS-Rauhigkeit, root mean square Rauhigkeit). Die mittlere quadratische Rauhigkeit beträgt für die in Fig. 12 dargestellten Fläche 6,4 nm, für die in Fig. 13 dargestellte Oberfläche hingegen nur 1,2 nm.Finally, the use of the ramp has effects not only with regard to the structure, but also with regard to the topography of the GaN layer 7 , as the scanning force microscopic recordings in FIGS . 12a and 12b prove. The surface of the GaN layer 7 produced without a ramp is significantly rougher than the surface of the GaN layer 7 produced with a ramp. This can also be seen in the mean square roughness determined for these surfaces (RMS roughness, root mean square roughness). The mean square roughness is 6.4 nm for the area shown in FIG. 12, but only 1.2 nm for the surface shown in FIG. 13.
Weiterhin läßt sich anhand der Fig. 12a und 12b erkennen, daß die Verwendung der Rampe einen Übergang vom Inselwachstum zum zweidimensionalen Lagenwachstum bewirkt. Furthermore, it can be seen from FIGS. 12a and 12b that the use of the ramp causes a transition from island growth to two-dimensional layer growth.
Das hier beschriebene Verfahren kann auch dann angewandt wer den, wenn für das Grundsubstrat 2 Materialien wie Al2O3, SiC, Si, Mg2O4, ZnO und GaAs verwendet werden. Die auf SiC aufgebrachten Schichten weisen aufgrund der im Vergleich zu Saphir geringeren Gitterfehlanpassung sogar noch bessere Qualitäten auf. Insbesondere eignet sich das Verfahren auch, um eine GaN-Schicht auf r-Saphir aufzuwachsen. Dabei wächst die GaN- Schicht a-Achsen-orientiert auf.The method described here can also be used if the materials used for the base substrate 2, such as Al 2 O 3 , SiC, Si, Mg 2 O 4 , ZnO and GaAs. The layers applied to SiC have even better qualities due to the lower lattice mismatch compared to sapphire. In particular, the method is also suitable for growing a GaN layer on r-sapphire. The GaN layer grows a-axis oriented.
Durch die Anwendung des beschriebenen Verfahrens lassen sich GaN-Schichten 7 herstellen, die trotz einer geringen Schicht dicke von unterhalb 300 nm eine Flächendichte der fadenförmi gen Versetzungen 5 von unterhalb 109 cm-2 aufweisen.By using the described method, GaN layers 7 can be produced which, despite a small layer thickness of less than 300 nm, have a surface density of the thread-like dislocations 5 of less than 10 9 cm -2 .
Grundsätzlich lassen sich mit dem hier vorgestellten Verfah ren auch Schichten aus GaN-basierenden Verbindungshalbleitern herstellen. Eine derartige Schicht weist allgemein die Zusam mensetzung AlxGayInzN mit x + y + z = 1 und 0 ≦ x, y, z ≦ 1. Somit lassen sich mit dem Verfahren auch AlGaN-, InGaN- und Al GaInN-Schichten herstellen. In principle, the process presented here can also be used to produce layers of GaN-based compound semiconductors. Such a layer generally has the composition Al x Ga y In z N with x + y + z = 1 and 0 ≦ x, y, z ≦ 1. Thus, the method can also be used for AlGaN-, InGaN- and Al GaInN- Create layers.
11
herkömmliches Quasisubstrat
conventional quasi-substrate
22nd
Grundsubstrat
Base substrate
33rd
GaN-Schicht
GaN layer
44th
Bauelement
Component
55
fadenförmige Versetzungen
threadlike dislocations
66
Quasisubstrat
Quasi substrate
77
GaN-Schicht
GaN layer
88th
Effusionszelle
Effusion cell
99
Hohlanodenquelle
Hollow anode source
1010th
Probe
sample
1111
Oberfläche
surface
1212th
einfallender Röntgenstrahl
incident x-ray
1313
abgebeugter Röntgenstrahl
diffracted x-ray
1414
Diffraktometerkreis
Diffractometer circuit
1515
χ-Achse
χ axis
1616
ϕ-Achse
ϕ axis
1717th
ω-Achse
ω axis
1818th
Pfeil
arrow
1919th
Poldichtemaxima
Pole density maxima
2020th
Poldichtemaxima
Pole density maxima
2121st
ungeführtes Spektrum
unguided spectrum
2222
geführtes Spektrum
guided spectrum
2323
erstes Maximum
first maximum
2424th
zweites Maximum
second maximum
2525th
Minimum
minimum
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