WO2002033760A1

WO2002033760A1 - Verfahren zur herstellung eines halbleiterbauelements auf gan-basis

Info

Publication number: WO2002033760A1
Application number: PCT/DE2001/003851
Authority: WO
Inventors: Stefan Bader; Dominik Eisert; Berthold Hahn; Volker HÄRLE
Original assignee: Osram Opto Semiconductors Gmbh
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2001-10-08
Publication date: 2002-04-25
Also published as: TW513818B; EP1327267B1; CN100377368C; US20100200864A1; US20040033638A1; DE10051465A1; JP2004512688A; EP1327267A1; US7691656B2; CN1471733A; US8809086B2; US20120211787A1; JP2007073986A; US8129209B2

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Mehrzahl von Gan-basierenden Schichten, das vorzugsweise der Strahlungserzeugung dient. Dabei wird eine Mehrzahl GaN-basierender Schichten (4) auf ein Verbundsubstrat aufgebracht, das einen Substratkörper (1) und eine Zwischenschicht (2) aufweist, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substratkörpers (1) ähnlich oder vorzugsweise grösser ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des GaN-basierenden Schichten 84) und die GaN-basieren-den Schichten (4) auf der Zwischenschicht (2) abgeschieden werden. Bevorzugz ist die Zwischenschicht und der Substratkörper durch ein Waferbonding-Verfahren verbunden.

Description

Beschreibung

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements auf GaN-Basis

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements auf GaN-Basis nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Halbleiterbauelemente auf GaN-Basis dienen vorwiegend der

Strahlungserzeugung im blau-grünen Spektralbereich und weisen eine Mehrzahl von Schichten auf, die aus einem GaN-basieren- den Material bestehen. Solche Materialien sind neben GaN selbst von GaN abgeleitete oder mit GaN verwandte Materialien sowie darauf aufbauende ternäre oder quaternäre Mischkristalle. Insbesondere fallen hierunter die Materialien A1N, InN, AlGaN (Al_α__xGa_xN, O≤x≤l) , InGaN (ln_!__xGa_xN, O≤x≤l) , InAlN (Inι__xAl_xN, O≤x≤l) und AlInGaN (Al₁__x__yIn_xGa_yN, O≤x≤l, O≤y≤l) . Die Bezeichnung "GaN-basierend" bezieht sich im folgenden ne- ben GaN selbst auf diese Materialsysteme.

Zur Herstellung von GaN-basierenden Halbleiterbauelementen werden üblicherweise Bpitaxieverfahren herangezogen. Die Auswahl des Epitaxiesubstrats ist dabei sowohl für den Herstel- lungsprozeß als auch die Funktion des Bauelements von entscheidender Bedeutung.

Häufig werden hierfür Saphir- oder SiC-Substrate verwendet, die jedoch beide gewisse Nachteile mit sich bringen. So ist beispielsweise die Gitterfehlanpassung bei Saphir bezüglich GaN-basierenden Schichten vergleichsweise groß.

SiC-Substrate weisen diesbezüglich eine bessere Gitteranpassung an GaN-basierende Materialien auf. Allerdings ist die Herstellung von SiC-Substraten mit ausreichender Kristallqualität mit sehr hohen Kosten verbunden. Zudem ist die Ausbeute an GaN-basierenden Halbleiterbauelementen vergleichsweise ge- ring, da die Größe von SiC- afern auf Durchmesser begrenzt ist, die typischerweise deutlich unter 150 mm liegen.

Aus der Patentschrift US 5,786,606 ist ein Herstellungsver- fahren für Strahlungsemittierende Halbleiterbauelemente auf GaN-Basis bekannt, bei dem auf einem SIMOX-Substrat (Separation by IMplantation of OXygen) oder einem SOI-Substrat (Silicon On Isolator) zunächst eine SiC-Schicht epitaktisch aufgewachsen wird. Auf dieser SiC-Schicht wird danach eine Mehr- zahl von GaN-basierenden Schichten abgeschieden.

Durch die SiC-Schicht wird jedoch die Strahlungsausbeute des Bauelements reduziert, da in der SiC-Schicht ein Teil der erzeugten Strahlung absorbiert wird. Weiterhin erfordert auch die epitaktische Ausbildung einer SiC-Schicht mit ausreichender Kristallqualität einen hohen Herstellungsaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein technisch einfaches und kostengünstiges Herstellungsverfahren für GaN-ba- sierende Halbleiterbauelemente anzugeben. Weiterhin ist es

Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für Halbleiterbauelemente mit einer erhöhten Strahlungsausbeute zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird durch ein Herstellungsverf hren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsver ahren wird eine Mehrzahl von GaN-basierenden Schichten epitaktisch auf ein

Verbundsubstrat aufgebracht, das einen Substratkörper und eine Zwischenschicht aufweist, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Substratkörpers ähnlich oder größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient der GaN-basierenden Schichten.

tr P rT to > iQ 3 t i Hi 03 CL N Ch fT > α tu fr LQ 0 f 03 N 03 CL P rr tϋ > Ω to

Φ 3 φ H- 0 P-> Φ F- ≤ & O 03 H- Φ 0 Φ c Φ Φ Φ Φ CL 0 rr Φ Ω Φ 03 fT Φ P fr Φ

P- 0 H 03 P 03 tr rr H- fr 03 rr Φ H Φ rr 03 03 H- fi Q Φ Φ ti P fr fi Ω Φ LQ 03 φ F-

3 X O CL H rr 03 φ Φ fi 03 Hi N 0 Φ fi Hi C CL Φ tr fi Φ CL fi

P- fr F- to P Φ O h fi 3 H cr Hi Φ φ 03 Ch P tr Hl fr Φ Ω 3 Φ Φ

S CL P φ P 0 n H¹ fr AJ 03 H- Φ tr H- li fr P Φ LQ Φ CL H- rr P > 3 OJ: F- fr tsi F-

03 03 P LQ P fr 03 Φ 03 Ω fi Φ fi Φ IS1 Φ P tr fi Φ P Φ N P P 3 03 03 IQ P P P

Hi O tr CL rr ti fr Ch H- < H- P c 03 N Hi ü H- fi CD 03 03 Ω φ P 03 φ

Φ P- tu < F- φ 03 IS H- φ fi Ch 0 Φ P rr M 0 03 Φ Ω CL tr F- fr ti P 03 H

H F- (-" 0 Φ P P- O *υ Ω ω Φ Φ l P ^ LQ fi H IQ 2 P CL fr Φ 03 LQ φ F- LQ 3 tr o Ch P ti P fr H- tr rr 3 H N rr 03 03 03 Hi Φ H- rr Φ F- - 03 rr P P 03 3 2

0 fr P CL Hi ) Φ H- rr er Φ C l-¹ fV er H- P ω rr H Ω C F- LQ fr φ φ

P er ti F- J» < 03 0 SU - 3 < Ω LQ t-> 0 P rt fr P Φ £ > Hi 0 P fr

CL - ω P fr φ fr X 03 Φ 03 rr Φ φ 0= £ LQ Φ Φ 03 er IQ F, Φ P C* Φ CD fi φ LQ ti H tu er H- Φ H ≥i 03 ≤ Hl H P Φ φ fi Ω 03 Φ fi 03 LQ Hl Φ N p Q⁾ Φ Φ Hi o Φ fi N tr P Φ Hi •O P fi Ξ s: fr 3 Ϊ P CL CL F- Hi et 03

F- =^> P SU P ti <! et £ c tr H- cn H- H- Φ LQ Ch H- Φ Ω F- 0⁾ 0 CL Φ Φ LQ F- N fr

CL 03 P Φ fr CL H- φ tr Φ fi 03 Ω C Ω N fi Φ Ω H 0 Ω φ Φ P fr N P

Φ φ ü 0 t P- Ω H P= P- Ch 03 fr tr fr H- 03 H- P fr rr 3 tr LQ Hl P • P P F- P ü tc H CL CL Φ p fr Hi 03 H- rr 03 Φ 03 rr er Φ Hi P P Φ LQ Ω

Φ P LQ er S3J rr td C Φ rr P LQ rr Φ CL tr Φ tr F- 03 P CL P 03

03 Hi o ti i tr Φ tr fi 3 < rr fi rr Φ 03 P N Ω LQ et P S

P rr X Φ < Φ H c: H 03 Φ Φ 03 O Φ O p, i 03 Hi F- F- tr 03 03 ? Φ P σ 03 F- ω Φ P- Φ Ό Φ 3 φ er P fr rr fi P Λ Φ 3 H- 0 Ω Φ F- f o= P er tr ra O CL P F- LΩ M H- fJ C H- ti , ü f N Φ H F- rr Φ fr P Ω rr 0 P . Φ 03

(T f 03 tr P P H rr Ω 03 Φ 0= c i H er fr fi LQ • er fr fr Φ P ti CD fi F- O 03 Φ 03 03 fr rr P 03 H LQ Φ rr Φ φ Φ rr Φ Hi φ α CD F-

03 n fr er ^■£, rr fr PJ Φ •υ 03 fi 0 fr C fi P ≤ CL Φ fi Hi P F- Ω Φ er fr P- H 0 H er H 03 - H- 03 03 Φ ≤ Ch Φ Φ 3 ü 03 Φ Φ P 3 F- Φ fr ti er o Hi 03 Φ H- 03 03 Ω H Φ Ω Φ fi fi H- Φ P F- fi F- N LQ 03 φ φ o-- fr rr Φ F- fi 03 rr 03 rr tr ω 03 H- 03 fi 3 03 P Ω rr F- ω F- Φ Φ F- P

H 3 rr ?r H o 03 Ω Φ O Φ H- o 03 S H- Ω fr Φ 03 03 Ω Φ LQ CL CL 3 H- ^ O tr fr fr 1— ' I—¹ fi Φ Ω o\° P Φ 03 Φ fr 03 ti P er fr P φ Φ φ

(5 rr fi 0 SU _"• (-" Ω H- fr 3 tr fr Ω ≤ φ Ω L f φ er P & P ti

H Φ tr O P tr P rr fr ω fi rr <J Ch 0 P fr Φ P fr Φ F- CL CL H Φ P= Ξ

F- Φ Φ CL Φ Hi 03 Φ c Φ 0 P φ CD Φ P- H- H P 0⁾ 0⁾ P tr Φ 03 03

P 0 F- H P- O 03 tr cn P P H- fi H- H- > Ω 03 tr Φ F- F- Ω

P &⁾ 03 P o CL fi 03 c Ω Φ Ω > H- P fr et ? φ P ti Ω Ω tr

CL 2 Ό P LQ ü Φ Ch ff C rr σ 03 Ch fr rr H fr P LQ ω er tr 03 < F- 03 Φ fr tr F-

CL F- ti N 3 Φ 03 03 H 03 tr Φ er fr Φ 03 Φ CL φ P Φ CL 03 CL P Ω

CL φ Φ CL P H tr 03 0⁾ rr 3 φ P Ch P φ 3 fi P fi < Φ Φ P fr

H- i-i Φ IQ 03 fi Φ rr H 3 f fi H- φ fr F- 3 tr 0 tr cn 3 LQ P er

0) s: N ti er P 03 fT 03 > Φ 3 Φ φ fr 03 P rr F- fr P fi P P Φ Ω φ

<; Φ ξ Hi tr < 0 c 0^ rr C fr H- P 03 P Ω P 03 F- P P tr G P tr P

N φ F- F- S3J Φ 03 O fi 03 H 03 fi ω Φ C fr P Ω Φ CL 03 P 03 P

≤ fi ω 03 -r F πr H CL ω O N Ω 03 3 P H- LQ Φ fr fi 03 Q rr er CD CL P

P- tr φ O H P H N Φ 03 Φ 3 Φ 03 fr Ω LQ Ω 03 fi Φ Hl P m ti Φ F- Φ P ω P fr Φ 0J 3 Hi 3 H fr 1— ' Φ fr rr 03 fr ? P= er Φ ?r 03 ti P ti rr o p Φ φ 3 O er tt! Φ LQ <! P 03 H- fr f rr o LQ > fi 03 3 o et 03 CL Φ Φ f CL F- i X fT 03 03 C Φ P > Ω φ 0 P, Φ fi P er Φ fr Ω P ü φ φ p 03 F- 0= ≤ H- 03 fi H P (_π C tr fi Φ H- Hi 0= 03 fi CL Hi 0= fr 03 CQ

P P φ Ω tjö > H Φ 03 c Ch 03 LQ o 03 er 3 Hi Ω Hi ts> CL φ 03 φ Hi fi P- tr rr Ω

03 - ii fr Φ P- O H- tr rr 03 o\° Ch Φ H- Hi f H- er Φ er fi F- O φ Φ tr tr

O F- F- 03 Φ 03 03 Ch Φ - φ P 03 H- Φ N Φ fr P N Φ CL H Φ F-

S. ω o 3 O M Φ α. rr H- fr 0 fr Ω N - P- P P 03 03 rr F- fi ti Φ

P- F- tr fr H- H Φ φ φ tr P fr H- Φ P Ω P fr Φ 03 t i F- 3 CL o -r er 0 Φ SD < Φ 03 ti Hi Φ P H Φ Φ P ü P fr LQ Φ P P P F- 1— ' J" i F- X 03 C Φ rr - Hl 03 LQ 3 P P er F- Q H fi er <J 3 03 F-

ΓT Φ N P F- Hi 0 rr Φ Φ 3 φ CL Ω -3 F- ti 1 ) 1 P P P F- H φ fr

CL 1 fi Φ

unmittelbar aneinandergefügt werden. Weitergehend können auch andere Bonding-Verfahren, beispielsweise eutektische Bonding- Verfahren oder Bonding-Verfahren, bei denen eine nichtoxidi- sche Haftschicht ausgebildet wird, verwendet werden.

Bei einem Verbundsubstrat der beschriebenen Art sind die thermischen Eigenschaften vor allem durch den Substratkörper bestimmt, während davon weitgehend unabhängig die Epitaxieoberfläche und insbesondere deren Gitterkonstante durch die Zwischenschicht festgelegt ist. Somit kann mit Vorteil die

Zwischenschicht optimal an die Gitterkonstante der aufzubringenden Schichten angepaßt werden. Zugleich wird durch die Verwendung eines Substratkörpers mit einem ausreichend hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verhindert, daß nach der Aufbringung der GaN-basierenden Schichten diese in der Abkühlphase zugverspannt werden und sich dadurch Risse in den Schichten bilden. Vorzugsweise wird daher die Zwischenschicht so dünn ausgebildet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des gesamten Verbundsubstrats im wesentlichen dem Ausdeh- nungskoeffizienten des Substratkörpers entspricht. Typischerweise ist dabei der Substratkörper mindestens zwanzigmal dik- ker als die Zwischenschicht.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält der Substratkörper Sie, Si oder GaN, vorzugsweise polykristallin (Poly-SiC, Poly-Si bzw. Poly-GaN) , Saphir oder AlN. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Sie ist ähnlich dem Ausdehnungskoeffizienten von GaN-basierenden Materialien, die übrigen genannten Materialien weisen einen größeren thermi- sehen Ausdehnungskoeffizienten als GaN-basierende Materialien auf. Damit wird mit Vorteil eine Rissbildung bei der Abkühlung der epitaktisch aufgebrachten Schichten vermieden.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält die Zwischenschicht Sie, Silizium, Saphir, MgO, GaN oder AlGaN.

Diese Materialien eignen sich insbesondere zur Ausbildung einer im wesentlichen monokristallinen Oberfläche mit einer an GaN angepaßten Gitterkonstante. Bevorzugt wird als Epitaxieoberfläche eine Si (111) -Oberfläche oder eine monokristalline SiC-Oberflache verwendet, auf der die GaN-basierenden Schichten aufgewachsen werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die GaN-basierenden Schichten auf einem Verbundsubstrat abgeschieden, bei dem die Zwischenschicht durch ein Bonding-verfahren, beispielsweise ein Waferbonding-Verfahren oder ein oxidisches Bondingverfahren, auf den Substratkörper aufgebracht ist. Vorzugsweise wird zwischen Substratkörper und Zwischenschicht eine Haftschicht, beispielsweise aus Siliziumoxid, ausgebildet.

Mittels eines Bonding-Ver ahrens kann mit Vorteil eine Vielzahl von Materialsystemen kombiniert werden, ohne durch Materialunverträglichkeiten, wie sie beispielsweise beim epitaktischen Aufbringen einer Zwischenschicht auf einen Substrat- körper auftreten, limitiert zu sein.

Um eine ausreichend dünne Zwischenschicht zu erhalten, kann dabei auch zunächst eine dickere Zwischenschicht auf den Substratkörper aufgebondet werden, die dann, beispielsweise durch Schleifen oder Spalten, auf die erforderliche Dicke ab- gedünnt wird.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vor der Abscheidung der GaN-basierenden Schichten auf dem Verbundsubstrat eine Maskenschicht ausgebildet, so daß nur auf den von der Maske unbedeckten Bereichen der Epitaxieoberfläche die GaN-basierenden Schichten aufwachsen. Dadurch werden mit Vorteil die GaN-basierenden Schichten in der Schichtebene unterbrochen und so ein zusätzlicher Schutz gegen Zugverspannung und die damit einhergehende Rissbildung erreich .

Eine weiter bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die GaN-basierenden Schichten nach der Abscheidung auf U3 ω to NJ P¹ F¹ in o σi O in O in

3 N 03 N rr CD > CL ; CD P P rr to O Ω 03 s: M CL α s fr rr CD rr CD

Φ ≤ P P tr er tr 03 P rr Φ P tr Φ CL ^ Φ P- er F- 3 03 P= Φ 0 Φ Φ rr Φ er φ

Ω F- tr Φ fi P CD fi P P Φ < φ tr fi CD φ 03 ti CD P F- tr P- P ti H ü 3 fr 03 03 Φ H 0⁾ 0= P CL 03 Hi LQ fi 0 fi L 3 0 CL tr] P CD φ 03 03 P

03 Ω er F- 3 rr CD φ rr 03 03 3 fi 03= 0⁾ s F- fi 03 fr 03 Φ P ≤ rr Ω I <

P tr fi P F- P N tr ?r ? F- N tr¹ P P 03 P CD φ Ω tr F- tr rr Φ

P- Φ 03 Φ 03 CL P ξ P 0= o 03 P φ - p- rr 03 rr 0 -— ' P- tr Φ φ Φ 03 P- P fi

03 P ΓT ti Ω F- LQ Φ P >i CD Φ Ω LQ LQ P Φ tr F- Φ P F- F- 0 F- CL tr Ω fi tr

Ω --^■ tr φ Ω P Ό Hi tr er F- 3 fi Φ 0 Φ Ω P CD Φ LQ tr F- P tr F- Hi P Φ CL f LQ Φ 03 Hi Φ Φ p- 03 P F- M tr er cn fi Φ et Φ P φ Φ P= P H φ 3 CD fi P F- ti F- F, P 0⁾ 0 P 0 "Ü rr α Φ F- < --^■ 03 fi CL ti IQ fr rr > Φ fi 03= fr 03 N 03 P 3 cn P CL Φ P F- tr P= P O Φ 0= rr Φ 03

Φ H Φ P 3 5 0 CL P- rr P F- F- CL Φ er 0⁾ P 1 H CD 03 P P

03 P φ ti 03 O Ω F- Φ 03 Φ Φ P IQ P l-¹ Hl φ fi m CD 03 P P <: cn s: rr Η tr

Ό CL P 03 CL Φ 03 LQ Hi P P P 03 CL φ F- F- P= fi fi rr X Φ CD Φ P Φ Φ CD

03 Φ Ω Φ H 3 ^ Hi LQ rr CL 03 P P ISl fi Φ Φ tr H P- Ω H tr P ö

P P P fr tr 03 1 P- φ rr Φ Φ tr 3 F- fi 0= 03 φ Φ tr tr CD CL α 0⁾ fi

P P F- P rr tr ≤ N Ό tr P tr Φ tr P CL tr N fr tr 03 3 F- P rr Φ 03 φ P 03

P Ω CL Φ P P 03 Φ P- 03 Φ P F- F- 3 Φ Φ Φ P P Φ Ω P fi er 03 P- 03 er

P 03 CL P fi CD P Φ Λ fi CL P Φ f^ P F- P P P tr P tr CL 03 P Ω iQ fei 03 IQ P- P P rr 3 Φ P CL F, P IQ IQ P 03 rr er Φ rr ≤ < tr P- φ 1 0 F- 03 LQ Φ rr F- fi LQ 03 <; ^►0 tsi H 03 rr LQ rr tr P ^ Φ Φ ^ P

P tr Ω ^ Φ H N Φ F- 03 03 ω 0 Hi F- ti P- Φ L CD ti P- 03 O* H fi ti ≤

03 CL tr o 03= Φ =s P 03 Ω Ω fr P Φ P n P Φ φ 03 03 P F- CL tr 03= F- Φ φ 03 P- Φ φ P P F- rr tr 03 0 H ti ? LQ 1 fi 3 rr er φ 03 Ό Φ P LQ F, F- ti F- Φ P Hi CL CL 03 CL φ ≥i Φ fi - 0 Φ cn 03 P- P-¹ rr Φ P P Φ CL P fr φ Hl Φ Φ Ω Φ P 1 Hi 03= X fi P rr cn rr Φ CL Φ • fi CL fi N

0= fi Ω F- H P tr 03 H tr Hi LQ 53 P- tr fi er rr P 03 3 P 03 03 Φ tr φ Φ P N rr φ F- > 03 P- Φ 0 CL φ CD 3 fi P- er tr Φ S α P 03 P

Φ P Hi 03 P- cn P 03 P P CD N H F- rr tr 0⁾ Φ tr Φ P Φ CL P- tr P Hi P c

P CL 03 CL Φ ≤ Ω P Φ 03 F- P- 3 Hi 0 LQ ti tr- fi 0)= F- rr P- 03 φ 03 Hi φ φ fr Φ P P- tr tr CL φ Φ 03 ti CL P 03 P Φ rr ti 03 er LQ CL

P fi tr er H p- P CD > Φ H P rr 03 Φ Φ rr P P P rr Φ fr Φ - ti Φ F- X

P Φ CL Ω Hi rr ti tr φ er Φ 3 fi P Φ LQ P CL • F- φ ti 03 03 tr Φ 03

03 φ P P tr tr fi •Ö P P H P LQ Φ P H fr CL er rr fi

Ω F- P er H 03 03 P CL 03 F- S CD F- CD P LQ F- Φ Φ 03 Ω tr fr P IQ Ξ cn Φ P- et CD P φ P 03 M Φ P- 0⁾ 3 03 tu Φ P fi fr Ω 03

F- Φ P= rr P P CD IQ P F- rr Ω P P X 03 03 Φ 03 tr ≥! φ

Ω H < ti 03 IQ 0= P 03 CL 03 ⁾ tr Hi t 03 03 P rr ≤ P rr P et I F- tr 0 CL fi < P H P fr cn Φ CD Φ rr O tr φ Φ P- P tr er er to P Φ O P T3 LQ 0 Ω P 0 P P-¹ tr fi F- Φ tr fi X Φ P 03 Φ

Φ φ P P LQ Φ Φ tr - Φ Φ F- rr P φ CL Φ F- CD P 03 fi

P 03 H ti fi 03 Hi F- rr LQ ^•- P- rr 03 rr Φ 3 er fi P 0 CL F- CD

Ω fi P CL CL 03 P Hi Ω tr Φ ≥i 03 er X Φ F- φ • 03 03 Φ φ Ω

03 fr 03= rT φ Φ F- tr φ Ξ P- p- O ^ F- ef P P er P N CL F. tr

P LQ Φ 3 03 P- CL N er H 03= Ω P P- Φ Φ Φ rr α Hl Φ P 03 Φ F-

Hi CL Φ fi 03 φ P- Φ 3 tr fr 03 φ < CD fi fi P tr 3 03 P Ω

<Q P- fi 03 < er P Φ P F- Φ σ -¹ Φ P N tr tsi er I—¹ Φ F- CL tr

H LQ Ω Φ fi P 03 er Φ CD fi tr F- 03 P Φ F- P 03 P < Φ rr

P P P tr H 03= P- rr rr P Ω - ^•» CD ≤ 3 03 Φ P fi Φ P 0 CL Φ P CD

P P P F- tr LQ P tr Φ P tr 0 Φ P- er Φ CD LQ P Φ ü rr

CL IQ CL Φ P φ 03 Φ P CL Φ CL « P F- Φ H er l-^J Φ Φ Φ CL CD tr ffi 03

CL P fi tr fi P 03 0 CL 03 CL 03 - φ fi F- 3 rr P 03 O

N CL < l-" L CD Φ 3 CL LQ ta tr φ Φ Φ er 3 CD P > F- fi P --^■ Φ

P Φ Φ P- 03 CD F- Φ Φ > 03 H P - Ch Φ rr φ fi rr φ N CL tr ti fi Ω P P 0 03 03 LQ P CL φ Ω 03 P Φ 3 er P P 03 fr tr tr tr P P Ω Φ 03 Φ rr 03 Ξ ≤ rr tr 03 P Φ N

0 CL P Φ 1 CL CL tr 03 tr P- 03 s > F- P- Φ Φ φ P Φ < H tr F- P fr 03 P φ φ Φ φ 03 0 CD H Φ F- P P P tr 0 Φ 1 1

Φ 1 CL fi P & 1 fr Φ 1 ~- CL P - CL fi H F- ü 1 φ 1 1 P φ 1 1

Eine Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Träger und GaN-basierenden Schichten ist vorteilhaft, um mechanische Spannungen, die einerseits nach der Herstellung der Halbleiterkörper während einer Abkühlphase und andererseits im Betrieb, beispielweise aufgrund einer Aufheizung durch Verlustleistung, auftreten können, gering zu halten.

Angepaßte thermische Ausdehnungskoeffizienten sind insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß ihre Differenz so gering ist, daß im Rahmen der auftretenden Temperaturänderungen im wesentlichen keine Schäden an den GaN -basierenden Schichten durch thermisch induzierte mechanische Verspannungen verursacht werden. Vorzugsweise sollte die relative Abweichung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Verbundsubstrats kleiner als 50%, besonders bevorzugt kleiner als 30% sein.

Die auftretenden Temperaturänderungen sind beispielsweise bedingt durch das jeweilige Verfahren zur Trennung der GaN-ba- sierenden Schichten von dem Verbundsubstrat, die bei der Herstellung, insbesondere während der Aufbringung des Trägers, herrschende Temperatur gegenüber der vorgesehenen Betriebstemperatur und/oder die aufgrund der Betriebspezifikation zu erwartende Verlustleistung.

Bevorzugt ist das Trägermaterial so gewählt, daß der thermische Ausdehungskoeffizient des Trägers zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratkörpers und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der GaN-basierenden Schichten liegt. Besonders bevorzugt ist dabei der thermische

Ausdehnungskoeffizient des Trägers größer als der arithmetische Mittelwert der thermischen Ausdehungskoeffizienten von Verbundsubstrat und GaN-basierenden Schichten.

Das beschriebene sogenannte Umbonden der Halbleiterschicht - stapel von dem Verbundsubstrat auf einen Träger kann bei der Erfindung auch in zwei Schritten erfolgen, wobei die GaN-ba- sierenden Halbleiterschichtstapel zunächst auf einen Zwischenträger und dann auf den eigentlichen Träger gebondet werden, so daß abschließend der eigentliche Träger an die Stelle des Verbundsubstrats tritt. Mit Vorteil weisen so her- gestellte Halbleiterschichtstapel eine entsprechende Schichtenfolge wie GaN-basierendes Halbleiterkörper mit Epitaxiesubstrat nach dem Stand der Technik auf, so daß für beide Schichtstapel dieselben nachfolgenden Verarbeitungsschritte wie beispielsweise Vereinzeln, Kontaktieren und Einbau in ein Gehäuse herangezogen werden können.

Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Herstellungsverfahrens für Strahlungsemittierende Halbleiterkörper auf GaN-Basis wird auf dem Halbleiterschichtstapel zur Stei- gerung der Strahlungsausbeute eine Reflektorschicht ausgebildet . Die Strahlungsausbeute bei GaN-basierenden Halbleiterbauelementen wird aufgrund des hohen Brechungsindex von GaN- basierenden Materialien zum Großteil durch Reflexion an den Grenzflächen des Halbleiterkörpers begrenzt. Bei strahlungs- emittierenden Halbleiterkörpern ohne absorbierendes Substrat können mit Vorteil durch eine Reflektorschicht die an der Auskoppelfläche reflektierten Strahlungsanteile wiederum auf die Auskoppelfläche zurückgerichtet werden. Damit wird die Strahlungsausbeute weiter erhöht.

Vorzugsweise wird die Reflektorschicht als Metallschicht, die beispielsweise Aluminium, Silber oder eine entsprechende Aluminium- oder Silberlegierung enthält, ausgebildet.

Mit Vorteil kann eine solche Metallschicht zugleich als Kontaktfläche verwendet werden. Alternativ kann die Reflektorschicht auch durch eine dielektrische Verspiegelung in Form einer Mehrzahl von dielektrischen Schichten ausgebildet werden.

Bei einer vorteilhaf en Weiterbildung der Erfindung wird zumindest ein Teil der Oberfläche des Halbleiterschichtstapels aufgerauht. Dadurch wird eine Totalre lexion an der Oberfläche gestört und so eine Erhöhung der Strahlungsausbeute erzielt . Vorzugsweise erfolgt die Aufrauhung durch Ätzen oder ein Sandstrahlverfahren.

Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von drei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3.

Es zeigen

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ,

Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens und

Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens .

Gleiche oder gleich wirkende Elemente sind hierbei mit den- selben Bezugszeichen versehen.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Herstellungsverfahren wird ein Verbundsubstrat mit einem Substratkörper 1 aus Poly-SiC verwendet, auf den in bekannter Weise eine monokristalline SiC-Zwischenschicht 2 aufgebondet ist. Hierzu ist zwischen dem Substratkörper 1 und der Zwischenschicht 2 eine Haftschicht 3, beispielsweise aus Siliziumoxid, ausgebildet, Figur la .

Auf dieses Verbundsubstrat wird epitaktisch eine Mehrzahl von GaN-basierenden Schichten 4 aufgewachsen, Figur Ib. Die Struktur der Schichtenfolge ist keinen prinzipiellen Beschränkungen unterworfen.

Vorzugsweise wird hierbei eine aktive, der Strahlungserzeugung dienende Schicht ausgebildet, die von einer oder mehreren Mantelschichten und/oder Wellenleiterschichten umgeben ist. Die aktive Schicht kann dabei durch eine Mehrzahl von dünnen Einzelschichten in Form einer Einfach- oder MehrfachquantentopfStruktur ausgebildet sein.

Weiterhin ist es vorteilhaft, auf der Zwischenschicht 2 zunächst eine Pufferschicht, beispielsweise auf AlGaN-Basis, auszubilden, durch die eine verbesserte Gitteranpassung und eine höhere Benetzbarkeit hinsichtlich der folgenden Schich- ten erreicht werden kann. Um die elektrische Leitfähigkeit einer solchen Pufferschicht zu erhöhen, können in die Pufferschicht elektrisch leitfähige Kanäle, beispielsweise auf InGaN-Basis, eingeschlossen werden.

Anschließend werden die GaN-basierenden Schichten 4 durch eine laterale Strukturierung, vorzugsweise durch eine Mesa- Ätzung, in einzelne Halbleiterschichtstapel 5 unterteilt, Figur lc .

Auf diese Halbleiterschichtstapel 5 wird im nächsten Schritt, Figur ld, ein Träger 6, beispielsweise aus GaAs oder einem für die erzeugte Strahlung durchlässigen Material, aufgebracht .

Daraufhin wird das Verbundsubstrat einschließlich der Zwischenschicht 2 von den Halbleiterschichtstapeln 5 abgelöst, Figur le . Dies kann beispielsweise durch ein Ätzverfahren erfolgen, bei dem die Zwischenschicht 2 oder die Haftschicht 3 zerstört wird. Weitergehend kann das Verbundsubstrat auch vermittels eines Laserablationsverfahrens entfernt werden, wobei in diesem Fall zweckmäßigerweise ein für die verwendete Laserstrahlung durchlässiger Substratkörper, beispielsweise ein Saphirsubstratkörper, verwendet wird. Die Laserstrahlung kann so durch den Substratkörper hindurch auf die Zwischenschicht beziehungsweise die Haftschicht eingestrahlt werden. Mit Vorteil kann der Substratkörper 1 in einem weiteren Her- Stellungszyklus wiederverwendet werden.

Wird zwischen der Aufbringung des Trägers und der Ablösung des Verbundsubstrats die Temperatur geändert, so ist eine Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Träger und Substratkörper besonders zweckmäßig. Beispielsweise eignet sich in Verbindung mit einem Saphirsubstratkörper ein GaAs, Molybdän, Wolfram oder eine Fe-Ni-Co-Legierung enthaltender Träger. Zur Aufbringung eines metallischen Trägers kann beispielsweise ein eutektisches Bonding-Verfahren ange- wandt werden.

In Verbindung mit einem SiC-Substratkörper ist ein Silizium oder SiC, jeweils monokristallin oder vorzugsweise polykristallin, enthaltendes Material als Trägermaterial vorteil- haft . Hierbei eignet sich beispielsweise ein oxidisches Bonding-Verfahren zur Aufbringung des Trägers.

Nachfolgend werden auf die so gebildeten Dünnschichthalbleiterkörper 5 Kontaktflächen 10 aufgebracht, Figur lf . Ab- schließend werden die Halbleiterschichtstapel 5 vereinzelt, Figur lg, und in üblicher Weise weiterverarbeitet.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Herstellungsverfahren wird wiederum ein Verbundsubstrat verwendet, das im wesentlichen von einem Poly-SiC-Substratkörper 1 und einer Si (111) -Zwischenschicht 2 gebildet wird. Die Zwischenschicht 2 ist mit Hilfe eines oxidischen Bonding-Verfahrens auf den Substratkörper 1 unter Ausbildung einer Siliziumoxid-Haftschicht 3 aufgebracht, Figur 2a. Alternativ können Substratkörper 1 und Zwischenschicht 2 auch durch ein anderes Bonding-Ver ahren, zum Beispiel Waferbonding, verbunden werden. Auf dieses Verbundsubstrat wird wiederum eine Mehrzahl von GaN-basierenden Schichten aufgewachsen, Figur 2b, die abschließend mit einer Kontaktschicht 8, beispielsweise aus Platin, versehen wird, Figur 2c.

Nachfolgend werden die GaN-basierenden Schichten 4 durch eine Ätzstrukturierung in einzelne Halbleiterschichtstapel 5 unterteilt, Figur 2d.

Auf diese so gebildeten Halbleiterschichtstapel 5 wird zum Schutz eine Passivierungsschicht 11, vorzugsweise auf Siliziumnitrid-Basis, aufgebracht, Figur 2e.

Auf den nicht von der Passivierungsschicht bedeckten Berei- chen der Kontaktschicht 8 wird nun jeweils ein Bondlot 12 und darauf ein Reflektor 9 aus einer Silber- oder Aluminiumlegierung abgeschieden, Figur 2f.

Anschließend werden die Halbleiterschichtstapel 5 mit dem Re- flektor 9 vermittels eines eutektischen Bonding-Verfahrens auf einen Träger 6 umgebondet , Figur 2g.

Im nächsten Schritt, Figur 2h, wird der Substratkörper 1 entfernt und kann so wiederverwendet werden.

Abschließend werden die einzelnen Halbleiterschichtstapel oberseitig mit Kontaktflächen 10 versehen, Figur 2i. Nachfolgend können die Halbleiterschichtstapel vereinzelt und gegebenenfalls in ein Gehäuse eingebaut werden (nicht darge- stellt) .

Das in Figur 3 dargestellt Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens stellt eine Variante der vorigen Ausführungsbeispiele dar.

Wiederum wird, wie bereits beschrieben, als Epitaxiesubstrat ein Verbundsubstrat verwendet, Figur 3a. Vor der Abscheidung der GaN-basierenden Schichten 4 wird auf die Epitaxieoberfläche der Zwischenschicht 2 eine Maskenschicht 7 aufgebracht, Figur 3b. Die GaN-basierenden Schichten 4 wachsen so nur auf den Bereichen der Epitaxieoberfläche auf, die von der Maskenschicht 7 nicht bedeckt sind (Epitaxiefenster) , Figur 3c. Dadurch werden die GaN-basierenden Schichten 4 in Richtung der Schichtebene unterbrochen. So wird zusätzlich eine Zugverspannung in den eptiaktisch abgeschiedenen Schichten in der Abkühlphase vermieden.

Nachfolgend kann das Herstellungsverfahren wie in den anderen Ausführungsbeipielen fortgesetzt werden.

Die Erläuterung der Erfindung anhand der beschriebenen Aus- führungsbeispiele ist selbstverständlich nicht als Beschränkung der Erfindung hierauf zu verstehen, sondern umfaßt alle Ausführungsformen, die von dem erfinderischen Gedanken Gebrauch machen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum epitaktischen Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einer Mehrzahl von GaN-basierenden Schichten (4) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die GaN-basierenden Schichten (4) auf ein Verbundsubstrat aufgebracht werden, das einen Substratkörper (1) und eine Zwischenschicht (2) aufweist, wobei der thermische Ausdeh- nungskoeffizient des Substratkörpers (l) ähnlich oder vorzugsweise größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient der GaN-basierenden Schichten (4) und die GaN-basierenen Schichten (4) auf der Zwischenschicht (2) abgeschieden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Dicke der Zwischenschicht (2) so gering ist, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verbundsubstrats im we- sentlichen durch den Substratkörper (1) bestimmt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Substratkörper (1) Sie, Poly-SiC, Si, Poly-Si, Saphir, GaN, Poly-GaN oder AlN enthält.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Zwischenschicht (2) Sie, Si, Saphir, MgO, GaN oder AlGaN enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Zwischenschicht (2) zumindest in Teilbereichen eine mono- kristalline Oberfläche aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Substratkörper (1) Poly-SiC und die Zwischenschicht (2) monokristallines SiC enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Substratkörper (1) Poly-Si und die Zwischenschicht (2) monokristallines Si enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Substratkörper (1) Poly-GaN und die Zwischenschicht (2) monokristallines GaN enthält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die GaN-basierenden Schichten (4) auf einer Si (111) -Oberflache oder einer zumindest in Teilbereichen monokristallinen SiC-Oberflache der Zwischenschicht (2) abgeschieden werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Zwischenschicht (2) vermittels eines Bonding-Verfahrens, insbesondere vermittels eines oxidischen Bonding-Verfahrens oder eines Waferbonding-Verfahrens , auf den Substratkörper (1) aufgebracht ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen Substratkörper (1) und Zwischenschicht (2) eine Haftschicht (3) ausgebildet ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e , daß die Haftschicht (3) Siliziumoxid enthält.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß vor dem Aufbringen der GaN-basierenden Schichten auf dem Verbundsubstrat eine Maskenschicht (7) mit Epitaxiefenstern aus- gebildet wird, wobei die Epitaxieober läche des Verbundsubstrats innerhalb der Epitaxiefenster unbedeckt bleibt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die GaN-basierenden Schichten (4) nach der Aufbringung auf das Verbundsubstrat in einzelne Halbleiterschichtstapel (5) strukturiert werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Verfahren fortgesetzt wird mit den Schritten:

Aufbringen eines Trägers (6) auf die Halbleiterschichtstapel (5) , Ablösen des Verbundsubstrats.

16. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Verfahren fortgesetzt wird mit den Schritten-.

Aufbringen eines Zwischenträgers auf die Halbleiter- schichtstapel (5),

Ablösen des Verbundsubstrats,

Aufbringen eines Trägers (6) auf der Seite der Halbleiterschichtstapel (5) , von der das Verbundsubstrat abgelöst wurde, - Ablösen des Zwischenträgers.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Träger (6) mindestens eine der Verbindungen beziehungs- weise mindestens eines der Elemente GaAs , Germanium, Silizium, Zinkoxid, Molybdän, Aluminium, Kupfer, Eisen, Nickel oder Kobalt enthält .

18. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Substratkörper Saphir und der Träger (6) GaAs, Molybdän, Wolfram oder eine Fe-Ni-Co-Legierung enthält.

19. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Substratkörper (1) Sie und der Träger (6) Silizium oder SiC enthält.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Trägers (6) an den thermischen Ausdehungskoeffizienten der GaN-basierenden Schichten (4) angepaßt ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Trägers (6) an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratkörpers (1) angepaßt ist .

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient des Trägers (6) zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substratkörpers (1) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der GaN-basierenden Schichten (4) liegt.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf den GaN-basierenden Schichten (4) beziehungsweise den Halbleiterschichtstapeln (5) eine Reflektorschicht (9) ausgebildet wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Reflektorschicht (9) durch Aufbringen einer Metallschicht gebildet wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Metallschicht Silber, Aluminium oder eine Silber- oder Aluminiumlegierung enthält.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Reflektorschicht (9) zugleich als Kontaktfläche dient.

27. Verfahren nach Anspruch 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Reflektorschicht (9) durch eine dielektrische Verspiege- lung gebildet wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Oberfläche der Halbleiterschichtstapel (5) zumindest bereichsweise aufgerauht wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Oberfläche der Halbleiterschichtstapel (5) durch Ätzen aufgerauht wird.

30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Oberfläche der Halbleiterschichtstapel (5) durch ein Sandstrahlverfahren aufgerauht wird.

31. Dünnschichthalbleiterbauelement, eingeschlossen strah- lungsemittierende Bauelemente, Dioden, Transistoren, strah- lungsemittierende Dioden, LEDs, Halbleiterlaser und strah- lungsdetektierende Bauelemente, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Bauelement unter Anwendung eines Verfahrens nach Anspruch 15 oder 16 oder nach einem auf einen dieser Ansprüche rückbezogenen Anspruch hergestellt ist.

32. Verwendung eines Verbundsubstrats mit einem Substratkörper (1) und einer Zwischenschicht (2) zur epitaktischen Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einer Mehrzahl GaN- basierender Schichten (4) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Substratkörper (l) und die Zwischenschicht (2) durch ein Bonding-Verfahren verbunden sind.

33. Verwendung eines Verbundsubstrats nach Anspruch 32, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Substratkörper (l) und die Zwischenschicht (2) durch ein oxidisches Bonding-Verfahren oder ein Waferbonding-Verfahren verbunden sind.