DE19652548C1 - Verfahren zur Herstellung stickstoffhaltiger III-V-Halbleiterschichten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der JP 8-8185 A bekannt ist, und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung abrupter Grenzflächen zwischen ternären Nitriden bei der Molekularstrahlepitaxie.

Das Materialsystem der Nitride Galliumnitrid, Indiumnitrid, Aluminiumnitrid und deren ternärer Verbindungen eignet sich aufgrund der Möglichkeit eines direkten Überganges zwischen Leitungsband und Valenzband (direkte Halbleiter) hervorragend für die Realisierung von optoelektronischen Bauelementen im Spektralbereich von Rot bis Ultraviolett. Die hohe chemische und thermische Resistenz ermöglicht ferner Anwendungen in der Sensorik und Hochtemperaturelektronik. Ein geeignetes Verfah­ ren zur Herstellung der Nitride ist die Molekularstrahlepita­ xie, bei der binäre, ternäre oder quaternäre Mischkristallzu­ sammensetzungen im Ultrahochvakuum aus Material strömen der in den Mischkristallzusammensetzungen vorkommenden Elemente ab­ geschieden werden. Für die Herstellung von komplexen Bauele­ menten, wie z. B. Lasern und Leuchtdioden mit hohem Wirkungs­ grad, sind Schichtfolgen aus Schichten unterschiedlicher Mischkristallzusammensetzungen erforderlich. Die Schichten sollten möglichst homogen zusammengesetzt sein, und die Über­ gänge zwischen unterschiedlichen Zusammensetzungen der auf­ einanderfolgenden Schichten sollten möglichst abrupt erfol­ gen. Beispiele dafür sind mehrfache Quantentopf-Strukturen (Multiple Quantum Well, MQW) im aktiven Bereich eines Lasers (z. B. unter Verwendung von InGaN) oder Übergitterstrukturen als Pufferschichten, z. B. als alternierende Folge von dünnen Schichten aus abwechselnd AlGaN und GaN. Die Herstellung die­ ser Schichten erfordert ein abruptes Umstellen der Material­ ströme aus den Materialquellen für die Elemente Ga, Al und In beim Übergang von einer gewachsenen Schicht auf die nächste aufzuwachsende Schicht.

Das Umstellen der Materialströme (Wachstumsflüsse) wird bis­ her durch zwei Verfahren ermöglicht: Unterbrechung des Wachs­ tums oder Verdoppelung der Anzahl der Materialquellen. Die Unterbrechung des Wachstums zwischen den verschiedenen Schichten erlaubt die Umstellung der Materialströme der Mate­ riequellen für die Elemente der Gruppe III des Periodensy­ stems dadurch, daß die Temperaturen der Effusionsszellen der Epitaxieanlage geändert werden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß relativ lange Zeiten vergehen, bis eine Quelle einen neuen stabilen Materialstrom liefert, der für das Auf­ wachsen der folgenden Schicht erforderlich ist. Außerdem ver­ ändert sich die Oberfläche der gewachsenen Halbleiterschich­ ten während der Unterbrechung. Die andere Möglichkeit besteht darin, die Zahl der Materiequellen zu verdoppeln. Jeweils ei­ ne Quelle liefert dann den gerade benötigten Materialstrom, und die andere Quelle kann bereits auf den Materialstrom, der für die nachfolgende Schicht benötigt wird, eingestellt wer­ den. Bei Molekularstrahlepitaxieanlagen ist jedoch die maxi­ mal mögliche Zahl von Quellen aus geometrischen Gründen sehr begrenzt, so daß eine Verdopplung von Effusionszellen eine beträchtliche Minderung der Einsatzmöglichkeit dieser Anlagen darstellt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von stickstoffhaltigen III-V-Halbleiterschichten unterschiedlicher Mischkristallzusammen­ setzungen anzugeben, das mit einer Mindestzahl von Material­ quellen in einer Epitaxieanlage durchführbar ist und bei dem ein kontinuierliches Aufwachsen von unterschiedlichen Schich­ ten nacheinander möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Das Materialsystem der Nitride ermöglicht - im Gegensatz zu Arseniden oder Phosphiden - Wachstumsbedingungen, bei denen die Gruppe-III-Elemente (Ga, Al, In) im Überschuß angeboten werden. Bei den üblichen Wachstumstemperaturen desorbiert das überschüssige Material, ohne daß sich die thermisch sehr sta­ bilen Nitride zersetzen. Bietet man daher mehrere Elemente der Gruppe III gleichzeitig an, so werden von dem gesamten Überschuß dieser Elemente die am schwächsten gebundenen Ele­ mente bevorzugt desorbiert. Es werden also die Elemente, die in der Mischkristallzusammensetzung stärker gebunden werden, bevorzugt abgeschieden. Geht man von gruppe-III-reichen Wachstumsbedingungen zu stickstoffreichen Wachstumsbedingun­ gen über, so werden zunehmend auch die schwächer gebundenen Elemente in die aufwachsende Mischkristallzusammensetzung eingebaut. Aus diesem Grund läßt sich bei konstantem Angebot an Materialfluß der Elemente Al, Ga und In die Zusammenset­ zung der aufwachsenden Halbleiterschicht allein durch Varia­ tion des Stickstoffstromes beeinflussen.

Bei der praktischen Anwendung des Verfahrens werden die Mate­ riequellen, die die Elemente der Gruppe III (Al, Ga, In) lie­ fern, fest eingestellt. Die Materialströme dieser Elemente ändern sich daher nicht oder nur als Folge eines geänderten Stickstoffstromes. Die Materialquelle, die den Stickstoff liefert, wird jeweils während des Aufwachsens einer bestimm­ ten Halbleiterschicht fest eingestellt. Wenn die Schicht vollständig aufgewachsen ist, wird der Stickstoffstrom so ge­ ändert, daß die Wachstumsbedingungen für die nachfolgend auf­ zuwachsende Schicht erfüllt sind. Dieses Umstellen des Stick­ stoffstromes kann sehr rasch erfolgen. Ebenso rasch ändert sich die Zusammensetzung des aufwachsenden Halbleitermateria­ les. Bei üblichen Molekularstrahlepitaxieanlagen ist eine Plasma-Quelle zur Erzeugung des für das Wachstum der Schich­ ten nötigen atomaren Stickstoffs vorhanden. Der Stick­ stoffstrom läßt sich leicht und schnell durch den Strom des in die Plasmazelle einströmenden molekularen Stickstoffes verändern. Während des Wachstums der MQW- oder Übergitter-Schichtfolgen kann zu jedem Zeitpunkt problemlos die Menge des angebotenen atomaren Stickstoffs verändert und damit ohne Unterbrechung der Einbau der am schwächsten gebundenen III-Komponente (z. B. In in InGaN) variiert werden. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren ermöglicht daher unter Verwendung her­ kömmlicher Epitaxieanlagen die einfache Realisierung von ab­ rupten, hochwertigen Grenzflächen zwischen binären und ternä­ ren oder zwischen ternären und anderen ternären Mischkri­ stallzusammensetzungen ohne Unterbrechung des Wachstums.

Claims (3)

1. Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen von mindestens zwei Halbleiterschichten, die unterschiedliche Mischkristallzusam­ mensetzungen aus Stickstoff und aus einem oder mehreren Ele­ menten aus der Gruppe von Aluminium, Gallium und Indium be­ sitzen, unter Verwendung einer Epitaxieanlage, dadurch gekennzeichnet, daß während des Aufwachsens beim Übergang von einer gewachse­ nen Schicht zu der nächsten aufzuwachsenden Schicht der pro Zeiteinheit zugeführte Anteil an Stickstoff geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während des Aufwachsens die Materialquellen für min­ destens zwei Elemente aus der Gruppe von Aluminium, Gallium und Indium auf so hohe Materialströme fest eingestellt blei­ ben, daß allein mit einer Änderung des Stickstoffstromes alle für die aufzuwachsenden Schichten vorgesehenen Mischkristall­ zusammensetzungen hergestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei dem eine Molekularstrahlepitaxieanlage mit einer Plasma-Quelle für atomaren Stickstoff verwendet wird und
bei dem der pro Zeiteinheit zugeführte Anteil an Stickstoff dadurch geändert wird, daß der Strom des in die Plasma-Quelle eingelassenen molekularen Stickstoffes geändert wird.