WO2015155268A1 - Verfahren zur ablösung eines aufwachssubstrats eines halbleiterbauteils - Google Patents

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WO2015155268A1
WO2015155268A1 PCT/EP2015/057670 EP2015057670W WO2015155268A1 WO 2015155268 A1 WO2015155268 A1 WO 2015155268A1 EP 2015057670 W EP2015057670 W EP 2015057670W WO 2015155268 A1 WO2015155268 A1 WO 2015155268A1
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growth substrate
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compound semiconductor
nitride compound
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Joachim Hertkorn
Thomas LEHNHARDT
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Ams Osram International GmbH
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Osram Opto Semiconductors GmbH
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    • H10H20/80—Constructional details
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    • H10H20/82—Roughened surfaces, e.g. at the interface between epitaxial layers
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    • H10H20/80—Constructional details
    • H10H20/81—Bodies
    • H10H20/815—Bodies having stress relaxation structures, e.g. buffer layers

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a nitride compound semiconductor device, in particular an optoelectronic nitride compound semiconductor device.
  • nitride compound semiconductor devices such as LEDs or semiconductor lasers
  • the functional layers of the device typically become
  • Sapphire substrates are particularly suitable for growing nitride compound semiconductor layers.
  • Nitride compound semiconductor layers does not have to
  • a carrier to connect the epitaxial layer sequence at a side opposite the growth substrate side with a carrier and then detach the growth substrate.
  • An LED made in this way is called a thin-film LED.
  • Nitride compound semiconductor device can be used in particular a per se known laser lift-off method. However, it has been found that when using structured sapphire substrates a detachment of the
  • An object to be solved is therefore to provide an improved method for producing a nitride compound semiconductor device, wherein a structured
  • Growth substrate is used, which can be peeled off in a relatively simple manner.
  • a structured growth substrate which has a surface structure.
  • the surface structure of the growth substrate advantageously has elevations which do not adjoin one another.
  • Growth substrate preferably has a flat surface.
  • the surface structure of the growth substrate may in particular be formed by a plurality of elevations, which in a predetermined arrangement, in particular in a periodic arrangement, on the surface of the
  • Growth substrate are arranged.
  • the elevations may in particular in a grid arrangement, for example in a hexagonal grid, on the surface of
  • nitride compound semiconductor material which preferably comprises GaN or consists of GaN, and the
  • Nitride compound semiconductor material which preferably comprises or consists of Al x Ga ] __ x N with 0 ⁇ x -S 1, grown on the first layer.
  • the second layer has a
  • Aluminum content x which is greater than the aluminum content of the first layer, wherein the first layer preferably contains no aluminum.
  • an etching process is subsequently carried out in which the first layer is at least partially removed at an interface with the structured growth substrate.
  • the etching process is preferably done in situ, i. in one for growing up
  • Nitride compound semiconductor layers can be carried out in particular by means of organometallic vapor phase epitaxy (MOVPE).
  • MOVPE organometallic vapor phase epitaxy
  • the etching is advantageously carried out in the MOVPE system.
  • at least one further nitride compound semiconductor layer or, preferably, several further nitride compound semiconductor layers are grown. In particular, it can be provided that the others
  • Layer sequence of a semiconductor device in particular an optoelectronic semiconductor device form.
  • the further nitride compound semiconductor layers, which are grown after the etching process, may in particular be a light-emitting diode layer sequence.
  • Nitride compound semiconductor layer detached the growth substrate from the semiconductor layer sequence thus produced.
  • the detachment of the growth substrate is advantageously simplified in the method described here in that the first layer was at least partially removed in the previous etching process at an interface to the growth substrate.
  • the growth substrate is a structured sapphire substrate (PSS).
  • PSS structured sapphire substrate
  • the elevations which form the surface structure of the growth substrate preferably have a cross-section which tapers with increasing distance from the surface. Starting from a base area, the surveys are therefore in a of the
  • Elevations may in particular have a dome-like shape, preferably the shape of a cone or a truncated cone.
  • the Base areas of the surveys advantageously do not border
  • the first layer grows, it initially grows substantially between the elevations, that is, in the planar spaces.
  • the growth of the first layer is advantageously terminated when the first layer covers about 50% to 90% of the surface of the growth substrate. In other words, the growth of the first layer is stopped before the first layer completely overgrows the elevations of the surface structure.
  • Nitride compound semiconductor material and having second regions which are not oriented in the c-plane.
  • the c-plane oriented regions have a surface that is parallel to the growth substrate. This corresponds in particular to a (0001) crystal surface of the nitride compound semiconductor material.
  • the surface regions of the first layer which are not oriented in the c-plane are formed by crystal facets which do not run parallel to the growth substrate. These obliquely oriented crystal facets occur during the growth of the first layer, in particular at the interfaces between the first layer and the elevations of the surface structure.
  • the second areas, the not oriented in the c-plane, to the elevations of the surface structure are formed by crystal facets which do not run parallel to the growth substrate.
  • the elevations preferably have a width on average
  • the height of the elevations is preferably on average between 0.5 ym and 2.5 ym.
  • the elevations preferably have on average a distance between 0.2 ym and 0.8 ym. Below the distance the
  • the second layer which has AlGaN and is applied to the first layer, advantageously has a thickness of between 2 nm and 50 nm, preferably a thickness of between 5 nm and 10 nm.
  • the second layer may be about 5 nm thick.
  • the comparatively thin second layer substantially conforms to the first layer, that is, it replicates the surface contour of the first layer.
  • the second layer also has first areas oriented in the c-plane and second areas not oriented in the c-plane and the peaks
  • the second layer advantageously has an aluminum content x> 0.
  • the aluminum content x in the second layer is preferably between 0.05 and
  • the first regions of the second layer which on the c-plane oriented first regions of the first layer grow, have a larger aluminum content than the second regions, which grow on the obliquely to the growth substrate oriented second regions of the first layer.
  • the nitride compound semiconductor material of the second layer grows, it becomes oblique when grown on the non-c-plane material
  • Etching process which is preferably carried out in situ, uses an etchant whose etch rate increases with
  • Nitride compound semiconductor material decreases.
  • an etchant is used, which for AlGaN a
  • the second regions of the second layer which have a lower aluminum content than the first regions, are etched faster than the first regions.
  • the second regions with the lower aluminum content are preferably completely removed due to the larger etching rate, so that the etching process continues in the underlying second regions of the first layer.
  • the first layer is substantially no longer connected to the side surfaces of the elevations of the surface structure.
  • a contact between the first layer and the growth substrate is therefore advantageous in the
  • the etching process takes place by means of hydrogen.
  • An etching process carried out by means of hydrogen has in particular the property that the etching rate during the etching of a
  • the etching process can be carried out in particular by the fact that in the growth of the
  • Coating plant is generated a hydrogen-rich atmosphere.
  • the detachment of the growth substrate is preferably carried out by means of a laser lift-off process.
  • the growth substrate by a wet chemical
  • the layer sequence of the previously on the growth substrate is replaced force.
  • the carrier may in particular comprise silicon.
  • the comparatively expensive growth substrate compared to silicon, which in particular has sapphire, can advantageously be used again after detachment.
  • the at least one further layer, which is grown on the second layer, can in particular a
  • the method is particularly suitable for producing a thin-film LED, in which the light-emitting diode layer sequence is detached from the structured growth substrate.
  • the at least further layer grown on the second layer is a GaN layer, which preferably has a thickness of between 500 ⁇ m and 1000 ⁇ m inclusive.
  • this comparatively thick GaN layer can be used in particular as a self-supporting substrate, for example for the production of an optoelectronic component.
  • the self-supporting GaN layer thus produced can in particular a
  • Embodiment of the method based on intermediate steps.
  • the growth substrate 3 shown schematically in cross section in FIG. 1 in a perspective view and in FIG. 2 in accordance with an exemplary embodiment is a structured one
  • Sapphire substrate having a surface structure.
  • the surface structure is formed by a plurality of protrusions 31 which are not adjacent to each other and through
  • Interspaces 32 are separated from each other.
  • the elevations 31 are advantageous in a predetermined two-dimensional arrangement on the surface of the growth substrate 3
  • the elevations 31 each conical.
  • the surveys could take a different form from the one of
  • Growth substrate 3 of tapered cross-section for example, the shape of a truncated cone.
  • Gaps 32 between the elevations 31 has the same
  • the elevations 31 preferably have on average a width between 1 ym and 4 ym. Height of the elevations 31 is preferably on average between 0.5 ym and 2.5 ym.
  • Elevations 31 preferably have on average a distance d between 0.2 ym and 0.8 ym, wherein the distance d is the shortest distance between the bases of two
  • a first layer 1 of a nitride compound semiconductor material has been grown on the structured growth substrate 3.
  • the first layer 1 is preferably a GaN layer.
  • Before applying the first layer 1 may optionally be a thin nucleation layer, preferably of AlN, on the
  • the first layer 1 is grown on the growth substrate 3 in such a way that it does not completely cover the elevations 31. In particular, the tips of the conical elevations 31 protrude out of the first layer 1.
  • the first layer 1 has on its surface first regions 11, which in the c-plane of
  • Nitride compound semiconductor material are oriented and parallel to the growth substrate. Furthermore, the first layer 1 adjacent to the elevations 31 second Areas 12 which extend obliquely to the growth substrate 3 and are not grown in the c-plane.
  • a second layer on the first layer 1 has been grown 2 which Al x Ga] __ N x with x> 0, preferably 0.05 ⁇ x ⁇ 0.1, comprising.
  • the second layer 2, which contains aluminum, is a comparatively thin layer whose thickness is between 2 nm and 50 nm, preferably between 5 nm and 10 nm.
  • the thickness of the second layer 2 may be, for example, 5 nm.
  • the first layer 1 is separated from the second layer 2
  • the surface of the second layer 2 has first regions 21, which are oriented in the crystallographic c-plane, and second regions 22 adjoining the elevations 31, which run obliquely to the growth substrate 3 and are not oriented in the c-plane.
  • Nitride compound semiconductor material of the second layer 2 is incorporated in the second regions 22 less aluminum than in the first regions 21, which in the c-plane
  • the second layer 2 therefore has in its edge regions 22, which adjoin the elevations 31, a lower aluminum content than in the first regions 21, which over the
  • Gaps 32 of the growth substrate 3 are arranged.
  • Diminished aluminum content is in a subsequent Etching step, the result of which is shown schematically in Figure 5, exploited.
  • this process step parts of the first layer 1 and the second layer 2 are etched with an etchant whose etching rate is lower, the higher the aluminum content of the
  • Nitride compound semiconductor material is.
  • An etchant suitable for carrying out such an etching process is in particular hydrogen.
  • the second regions 22 of the second layer 2 are removed faster than the first regions 21 because of their lower aluminum content.
  • the first regions 21 of the second layer are not complete and the second regions 22 are complete
  • the etching process continues in the first layer 1. Since the first layer 1 does not comprise aluminum, the etch rate of the etchant in the first layer is even greater than in the second regions 22 of the second layer. Since the etching of the first layer 1 starts in the regions adjacent to the elevations 31, the first layer 1 is partially removed, in particular at the interface with the elevations 31.
  • the etching process can be carried out, for example, until the first
  • Layer 1 is at least partially removed to the gaps 32 at the surface of the growth substrate 3.
  • the etching process is then stopped, in particular by the
  • Etch hydrogen is removed from the reactor.
  • H 3 is generally introduced into the coating system.
  • the NH 3 feed is preferably interrupted during the etching process and upon completion of the etching process resumed.
  • a further nitride compound semiconductor layer 41 is grown on the second layer 2, which has a sufficiently large thickness that it overgrows the regions of the second layer 2 which are separated from one another by the elevations 31 and grows into a closed layer.
  • nitride compound semiconductor layer 41 may be a GaN layer.
  • the light-emitting diode layer sequence 42 may in particular comprise an n-doped semiconductor region 43, an active layer 44 and a p-doped semiconductor region 45.
  • Light-emitting diode layer sequence 42 may be composed of a plurality of individual layers, such
  • the light-emitting diode layer sequence 42 has been connected to a carrier 7 on a side opposite the growth substrate 3.
  • the carrier 7 may in particular be a silicon wafer.
  • the carrier 7 may be provided with a bonding layer 6 such as a solder layer with the
  • Light emitting diode layer sequence 42 are connected.
  • the light-emitting diode layer sequence 42 is provided with a mirror layer 5 prior to connection to the carrier 7, in order in the finished nitride compound semiconductor device in FIG Direction of the carrier 7 emitted radiation for
  • the growth substrate 3 is detached from the produced layer sequence.
  • the growth substrate 3 can be detached from the layer sequence in particular by a laser lift-off process.
  • Waxing substrate 3 adjacent first layer 1 was at least partially removed by the etching process, in particular at the adjacent to the elevations 31 areas of
  • the method makes it possible in particular for the structured growth substrate 3 to be derived from the layer sequence of the
  • a very thick further nitride compound semiconductor layer 41 in particular a thick GaN layer, whose thickness is preferably between 500 .mu.m and 1000 .mu.m, is grown. This can be done before
  • Growth substrate 3 are replaced and due to their large thickness as a cantilever substrate for growing another Layers, in particular a laser diode structure or a light-emitting diode structure, act.

Landscapes

  • Led Devices (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements beschrieben, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines strukturierten Aufwachssubstrats (3), das eine Oberflächenstruktur aufweist, wobei die Oberflächenstruktur Erhebungen (31) aufweist, die nicht aneinander angrenzen, und wobei das Aufwachsubstrat in Zwischenräumen (32) zwischen den Erhebungen (31) eine ebene Oberfläche aufweist, - Aufwachsen einer ersten Schicht (1), welche GaN aufweist und die Oberflächenstruktur nicht vollständig überdeckt, - Aufwachsen einer zweiten Schicht (2), welche AlxGa1-xN mit 0 < x ≤ 1 aufweist, auf die erste Schicht (1), - Durchführung eines Ätzprozesses, bei dem die erste Schicht (1) zumindest an einer Grenzfläche zum Aufwachssubstrat (3) teilweise entfernt wird, - Aufwachsen mindestens einer weiteren Nitridverbindungshalbleiter-Schicht (4), und - Ablösen des Aufwachssubstrats (3).

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR ABLÖSUNG EINES AUFWACHSSUBSTRATS EINES HALBLEITERBAUTEILS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements, insbesondere eines optoelektronischen Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2014 105 208.0, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Zur Herstellung von Nitridverbindungshalbleiter-Bauelementen wie beispielsweise LEDs oder Halbleiterlasern werden die funktionellen Schichten des Bauelements in der Regel
epitaktisch auf einem geeigneten Aufwachssubstrat
abgeschieden. Zum Aufwachsen von Nitridverbindungshalbleiter- Schichten sind insbesondere Saphirsubstrate geeignet. Das Aufwachssubstrat zum epitaktischen Aufwachsen der
Nitridverbindungshalbleiter-Schichten muss nicht
notwendigerweise eine ebene Oberfläche aufweisen. Vielmehr hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, ein
strukturiertes Saphirsubstrat (PSS, patterned sapphire
Substrate) zu verwenden, um insbesondere eine erhöhte
Lichtausbeute bei einem Strahlungsemittierenden
optoelektronischen Bauelement zu erzielen.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, bei einem auf einem Nitridverbindungshalbleiter basierenden
Bauelement die epitaktischen Schichtenfolge an einer dem Aufwachssubstrat gegenüberliegenden Seite mit einem Träger zu verbinden und anschließend das Aufwachssubstrat abzulösen. Bei dieser Ausgestaltung wird vorteilhaft zwischen der epitaktischen Schichtenfolge und dem Träger eine
reflektierende Schicht eingefügt. Eine auf diese Weise hergestellte LED wird als Dünnfilm-LED bezeichnet.
Zum Ablösen des Aufwachssubstrats von einem
Nitridverbindungshalbleiter-Bauelement kann insbesondere ein an sich bekanntes Laser-Lift-Off-Verfahren eingesetzt werden. Es hat sich aber herausgestellt, dass bei der Verwendung von strukturierten Saphirsubstraten ein Ablösen des
Aufwachssubstrats mittels Laser-Lift-Off oder anderen
Verfahren nicht ohne weiteres möglich ist oder zu einer
Schädigung der epitaktischen Halbleiterschichtenfolge führt. Eine zu lösende Aufgabe besteht daher darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Nitridverbindungshalbleiter- Bauelements anzugeben, bei dem ein strukturiertes
Aufwachssubstrat verwendet wird, das auf vergleichsweise einfache Weise abgelöst werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche .
Bei dem Verfahren wird gemäß zumindest einer Ausgestaltung ein strukturiertes Aufwachssubstrat bereitgestellt, das eine Oberflächenstruktur aufweist. Die Oberflächenstruktur des Aufwachssubstrats weist vorteilhaft Erhebungen auf, die nicht aneinander angrenzen. Zwischen den Erhebungen weist das
Aufwachssubstrat vorzugsweise eine ebene Oberfläche auf. Die Oberflächenstruktur des Aufwachssubstrats kann insbesondere durch eine Vielzahl von Erhebungen gebildet sein, die in einer vorgegebenen Anordnung, insbesondere in einer periodischen Anordnung, an der Oberfläche des
Aufwachssubstrats angeordnet sind. Die Erhebungen können insbesondere in einer Gitteranordnung, beispielsweise in einem hexagonalen Gitter, an der Oberfläche des
strukturierten Aufwachssubstrats angeordnet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird auf dem
Aufwachssubstrat eine erste Schicht aus einem
Nitridverbindungshalbleitermaterial aufgewachsen, welche bevorzugt GaN aufweist oder aus GaN besteht, und die
Oberflächenstruktur nicht vollständig überdeckt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird in einem weiteren Verfahrensschritt eine zweite Schicht aus einem
Nitridverbindungshalbleitermaterial , das bevorzugt AlxGa]__xN mit 0 < x -S 1 aufweist oder daraus besteht, auf die erste Schicht aufgewachsen. Die zweite Schicht weist einen
Aluminiumgehalt x auf, der größer ist als der Aluminiumgehalt der ersten Schicht, wobei die erste Schicht bevorzugt kein Aluminium enthält.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird nachfolgend ein Ätzprozess durchgeführt, bei dem die erste Schicht an einer Grenzfläche zum strukturierten Aufwachssubstrat zumindest teilweise entfernt wird. Der Ätzprozess erfolgt vorzugsweise in situ, d.h. in einer für das Aufwachsen der
Nitridverbindungshalbleiterschichten verwendeten
Beschichtungsanlage . Das Aufwachsen der
Nitridverbindungshalbleiterschichten kann insbesondere mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) erfolgen. In diesem Fall erfolgt das Ätzen vorteilhaft in der MOVPE- Anlage . In einem nachfolgenden Schritt werden mindestens eine weitere Nitridverbindungshalbleiter-Schicht oder vorzugsweise mehrere weitere Nitridverbindungshalbleiter-Schichten aufgewachsen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die weiteren
Nitridverbindungshalbleiter-Schichten die funktionelle
Schichtenfolge eines Halbleiterbauelements, insbesondere eines optoelektronischen Halbleiterbauelements, ausbilden. Die weiteren Nitridverbindungshalbleiter-Schichten, welche nach dem Ätzprozess aufgewachsen werden, können insbesondere eine Leuchtdiodenschichtenfolge sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird nach dem
Aufwachsen der mindestens einen weiteren
Nitridverbindungshalbleiter-Schicht das Aufwachssubstrat von der auf diese Weise hergestellten Halbleiterschichtenfolge abgelöst. Das Ablösen des Aufwachssubstrats ist bei dem hier beschriebenen Verfahren vorteilhaft dadurch vereinfacht, dass die erste Schicht bei dem vorherigen Ätzprozess an einer Grenzfläche zum Aufwachssubstrat zumindest teilweise entfernt wurde. Die Haftung zwischen der ersten Schicht und dem
Aufwachssubstrat ist auf diese Weise vorteilhaft vermindert.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens ist das Aufwachssubstrat ein strukturiertes Saphirsubstrat (PSS, patterned sapphire Substrate) . Die Erhebungen, welche die Oberflächenstruktur des Aufwachssubstrats ausbilden, weisen bevorzugt einen Querschnitt auf, der sich mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche verjüngt. Ausgehend von einer Grundfläche werden die Erhebungen also in einer vom
Aufwachssubstrat weg zeigenden Richtung schmaler. Die
Erhebungen können insbesondere eine domartige Form, bevorzugt die Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfs, aufweisen. Die Grundflächen der Erhebungen grenzen vorteilhaft nicht
aneinander an, sodass zwischen den Erhebungen Zwischenräume an der Oberfläche des Aufwachssubstrats ausgebildet sind. Beim Aufwachsen der ersten Schicht wächst diese zunächst im Wesentlichen zwischen den Erhebungen, das heißt in den ebenen Zwischenräumen, auf.
Bei dem Verfahren wird das Aufwachsen der ersten Schicht vorteilhaft dann beendet, wenn die erste Schicht etwa 50% bis 90% der Oberfläche des Aufwachssubstrats bedeckt. Mit anderen Worten wird das Anwachsen der ersten Schicht beendet, bevor die erste Schicht die Erhebungen der Oberflächenstruktur vollständig überwächst.
Es hat sich herausgestellt, dass die erste Schicht beim
Aufwachsen in den Zwischenräumen zwischen den Erhebungen nicht mit einer vollständig planare Oberfläche aufwächst, sondern dass die erste Schicht vielmehr erste Bereiche, die in der kristallografischen c-Ebene des
Nitridverbindungshalbleiter-Materials orientiert sind, und zweite Bereiche, die nicht in der c-Ebene orientiert sind, aufweist. Die in der c-Ebene orientierten Bereiche weisen eine Oberfläche auf, welche parallel zum Aufwachssubstrat verläuft. Diese entspricht insbesondere einer (0001)- Kristalloberfläche des Nitridverbindungshalbleiter-Materials.
Die nicht in der c-Ebene orientierten Oberflächenbereiche der ersten Schicht werden durch Kristallfacetten gebildet, welche nicht parallel zum Aufwachssubstrat verlaufen. Diese schräg orientierten Kristallfacetten treten beim Aufwachsen der ersten Schicht insbesondere an den Grenzflächen zwischen der ersten Schicht und den Erhebungen der Oberflächenstruktur auf. Vorteilhaft grenzen daher die zweiten Bereiche, die nicht in der c-Ebene orientiert sind, an die Erhebungen der Oberflächenstruktur an.
Die Erhebungen weisen bevorzugt im Mittel eine Breite
zwischen 1 ym und 4 ym auf. Die Höhe der Erhebungen beträgt bevorzugt im Mittel zwischen 0,5 ym und 2,5 ym.
Die Erhebungen weisen bevorzugt im Mittel einen Abstand zwischen 0,2 ym und 0,8 ym auf. Unter dem Abstand der
Erhebungen ist hier und im Folgenden die kürzeste Entfernung zwischen den Grundflächen zweier benachbarter Erhebungen zu verstehen .
Die zweite Schicht, welche AlGaN aufweist und auf die erste Schicht aufgebracht wird, weist vorteilhaft eine Dicke zwischen 2 nm und 50 nm, bevorzugt eine Dicke zwischen 5 nm und 10 nm auf. Beispielsweise kann die zweite Schicht etwa 5 nm dick sein. Die vergleichsweise dünne zweite Schicht bedeckt die erste Schicht im Wesentlichen konform, das heißt sie bildet die Oberflächenkontur der ersten Schicht nach. Wie die erste Schicht weist auch die zweite Schicht erste Bereiche, die in der c-Ebene orientiert sind, und zweite Bereiche, die nicht in der c-Ebene orientiert sind und an die Erhebungen
angrenzen, auf.
Die zweite Schicht weist vorteilhaft einen Aluminiumanteil x > 0 auf. Bevorzugt beträgt der Aluminiumanteil x in der zweiten Schicht zwischen einschließlich 0,05 und
einschließlich 0,1. Es hat sich herausgestellt, dass die ersten Bereiche der zweiten Schicht, welche auf den in der c- Ebene orientierten ersten Bereichen der ersten Schicht aufwachsen, einen größeren Aluminiumanteil aufweisen als die zweiten Bereiche, welche auf den schräg zum Aufwachssubstrat orientierten zweiten Bereichen der ersten Schicht aufwachsen. Beim Aufwachsen des Nitridverbindungshalbleiter-Materials der zweiten Schicht wird mit anderen Worten beim Aufwachsen auf den nicht in der c-Ebene verlaufenden schrägen
Kristallfacetten der ersten Schicht weniger Aluminium
eingebaut als auf der parallel zum Aufwachssubstrat
verlaufenden in c-Ebene orientierten Kristallfacette. Dieser Umstand wird im nachfolgenden Verfahrensschritt zur
Durchführung eines selektiven Ätzprozesses ausgenutzt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem
Ätzprozess, der vorzugswiese in situ durchgeführt wird, ein Ätzmittel verwendet, dessen Ätzrate mit zunehmendem
Aluminiumgehalt des geätzten
Nitridverbindungshalbleitermaterials abnimmt. Insbesondere wird ein Ätzmittel verwendet, welches für AlGaN eine
geringere Ätzrate als für GaN aufweist. Dies hat zur Folge, dass die zweiten Bereiche der zweiten Schicht, welche einen geringeren Aluminiumgehalt als die ersten Bereiche aufweisen, schneller geätzt werden als die ersten Bereiche. Der
Ätzprozess wird vorteilhaft derart durchgeführt, dass die ersten Bereiche der zweiten Schicht nicht vollständig
abgetragen werden. Die zweiten Bereiche mit dem geringeren Aluminiumgehalt werden vorzugsweise aufgrund der größeren Ätzrate vollständig abgetragen, so dass sich der Ätzprozess in den darunterliegenden zweiten Bereichen der ersten Schicht fortsetzt .
Nach dem Abtragen der zweiten Bereiche der zweiten Schicht werden insbesondere diejenigen Bereiche der ersten Schicht abgetragen, welche unterhalb der zweiten Bereiche der zweiten Schicht angeordnet sind. Die erste Schicht wird daher
insbesondere in den an die Erhebungen angrenzenden Bereichen abgetragen. Insbesondere kann auf diese Weise erreicht werden, dass die erste Schicht im Wesentlichen nicht mehr mit den Seitenflächen der Erhebungen der Oberflächenstruktur verbunden ist. Ein Kontakt zwischen der ersten Schicht und dem Aufwachssubstrat besteht daher vorteilhaft im
Wesentlichen nur noch in einem Teil der Zwischenräume
zwischen den Erhebungen. Auf diese Weise wird die Haftung zwischen der ersten Schicht und dem Aufwachssubstrat
signifikant vermindert, was ein Ablösen des Aufwachssubstrats in einem nachfolgenden Verfahrensschritt wesentlich
erleichtert . Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt der Ätzprozess mittels Wasserstoff. Ein mittels Wasserstoff durchgeführter Ätzprozess hat insbesondere die Eigenschaft, dass die Ätzrate beim Ätzen eines
Nitridverbindungshalbleiter-Materials mit zunehmendem
Aluminiumgehalt abnimmt. Der Ätzprozess kann insbesondere dadurch erfolgen, dass in der zum Aufwachsen der
Nitridverbindungshalbleiterschichten verwendeten
Beschichtungsanlage eine Wasserstoff-reiche Atmosphäre erzeugt wird.
Das Ablösen des Aufwachssubstrats erfolgt bevorzugt mittels eines Laser-Lift-Off-Prozesses . Alternativ ist es aber auch möglich, das Aufwachssubstrat durch ein nasschemisches
Verfahren, durch die Anwendung von Ultraschall, durch die Erzeugung von mechanischen Scherkräften, beispielsweise durch eine Temperaturbehandlung, oder durch mechanische
Krafteinwirkung abzulösen. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Schichtenfolge der zuvor auf das Aufwachssubstrat
aufgebrachten Schichten vor dem Ablösen des Aufwachssubstrats an einer dem Aufwachssubstrat gegenüberliegenden Seite mit einem Träger verbunden. Der Träger kann insbesondere Silizium aufweisen. Das im Vergleich zu Silizium vergleichsweise teure Aufwachssubstrat , das insbesondere Saphir aufweist, kann nach dem Ablösen vorteilhaft wieder verwendet werden. Die mindestens eine weitere Schicht, welche auf die zweite Schicht aufgewachsen wird, kann insbesondere eine
Leuchtdioden-Schichtenfolge umfassen. Das Verfahren ist insbesondere zur Herstellung einer Dünnfilm-LED geeignet, bei der die Leuchtdiodenschichtenfolge von dem strukturierten Aufwachsubstrat abgelöst wird. Für die Herstellung der
Leuchtdiodenschichtenfolge können vorteilhaft an sich
bekannte Epitaxieverfahren verwendet werden, die zur
Herstellung von Dünnfilm-LEDs auf ebenen Substraten verwendet werden .
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die mindestens weitere Schicht, welche auf die zweite Schicht aufgewachsen wird, eine GaN-Schicht, die bevorzugt eine Dicke zwischen einschließlich 500 ym und einschließlich 1000 ym aufweist. Diese vergleichsweise dicke GaN-Schicht kann nach dem Ablösen des Aufwachssubstrats insbesondere als freitragendes Substrat, beispielsweise zur Herstellung eines optoelektronischen Bauelements, verwendet werden. Auf die so erzeugte freitragende GaN-Schicht kann insbesondere ein
Halbleiterlaser aufgewachsen werden. Da sich mit zunehmender Schichtdicke der GaN-Schicht mechanische Spannungen in dem Schichtsystem erhöhen, ist es bei dieser Ausgestaltung möglich, dass die GaN-Schicht von alleine von dem Aufwachssubstrat separiert, ohne dass eines der zuvor
beschriebenen Ablöseverfahren angewandt wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von
Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 9 näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 bis 9 eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels des Verfahrens anhand von Zwischenschritten .
Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die
dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen . In den folgenden Figuren 1 bis 9 ist zur Vereinfachung jeweils nur ein Ausschnitt des Aufwachssubstrats 3
dargestellt .
Das in Figur 1 in einer perspektivischen Ansicht und in Fig. 2 schematisch im Querschnitt dargestellte Aufwachssubstrat 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein strukturiertes
Saphirsubstrat, das eine Oberflächenstruktur aufweist. Die Oberflächenstruktur wird durch eine Vielzahl von Erhebungen 31 gebildet, die nicht aneinander angrenzen und durch
Zwischenräume 32 voneinander getrennt sind. Die Erhebungen 31 sind vorteilhaft in einer vorgegebenen zweidimensionalen Anordnung an der Oberfläche des Aufwachssubstrats 3
angeordnet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Erhebungen 31 jeweils kegelförmig. Alternativ könnten die Erhebungen eine andere Form mit einem sich vom
Aufwachssubstrat 3 aus verjüngenden Querschnitt aufweisen, zum Beispiel die Form eines Kegelstumpfs. In den
Zwischenräumen 32 zwischen den Erhebungen 31 weist das
Aufwachsubstrat 3 vorteilhaft eine ebene Oberfläche auf.
Die Erhebungen 31 weisen vorzugsweise im Mittel eine Breite zwischen 1 ym und 4 ym auf. Höhe der Erhebungen 31 beträgt bevorzugt im Mittel zwischen 0,5 ym und 2,5 ym. Die
Erhebungen 31 weisen bevorzugt im Mittel einen Abstand d zwischen 0,2 ym und 0,8 ym auf, wobei der Abstand d die kürzeste Distanz zwischen den Grundflächen zweier
benachbarter Erhebungen 31 ist.
Bei dem in Figur 3 dargestellten Zwischenschritt ist eine erste Schicht 1 aus einem Nitridverbindungshalbleitermaterial auf das strukturierte Aufwachssubstrat 3 aufgewachsen worden. Die erste Schicht 1 ist bevorzugt eine GaN-Schicht. Vor dem Aufbringen der ersten Schicht 1 kann gegebenenfalls eine dünne Nukleationsschicht , vorzugsweise aus A1N, auf das
Aufwachssubstrat 3 aufgebracht werden (nicht dargestellt) . Die erste Schicht 1 wird derart auf das Aufwachssubstrat 3 aufgewachsen, dass sie die Erhebungen 31 nicht vollständig überdeckt. Insbesondere ragen die Spitzen der kegelförmigen Erhebungen 31 aus der ersten Schicht 1 heraus.
Die erste Schicht 1 weist an ihrer Oberfläche erste Bereiche 11 auf, die in der c-Ebene des
Nitridverbindungshalbleitermaterials orientiert sind und parallel zum Aufwachssubstrat verlaufen. Weiterhin weist die erste Schicht 1 an die Erhebungen 31 angrenzende zweite Bereiche 12 auf, die schräg zum Aufwachssubstrat 3 verlaufen und nicht in der c-Ebene gewachsen sind.
Bei dem in Figur 4 dargestellten Zwischenschritt ist auf die erste Schicht 1 ist eine zweite Schicht 2 aufgewachsen worden, welche AlxGa]__xN mit x > 0, bevorzugt 0,05 ^ x ^ 0,1, aufweist. Die zweite Schicht 2, welche Aluminium enthält, ist eine vergleichsweise dünne Schicht, deren Dicke zwischen 2 nm und 50 nm, bevorzugt zwischen 5 nm und 10 nm beträgt. Die Dicke der zweiten Schicht 2 kann zum Beispiel 5 nm betragen.
Die erste Schicht 1 wird von der zweiten Schicht 2
vorteilhaft im Wesentlichen konform überwachsen, sodass die zweite Schicht 2 im Wesentlichen die gleiche
Oberflächenkontur wie die erste Schicht 1 aufweist.
Insbesondere weist die Oberfläche der zweiten Schicht 2 erste Bereiche 21 auf, welche in der kristallografischen c-Ebene orientiert sind, und an die Erhebungen 31 angrenzende zweite Bereiche 22, die schräg zum Aufwachssubstrat 3 verlaufen und nicht in der c-Ebene orientiert sind.
Es hat sich herausgestellt, dass beim Aufwachsen des
Nitridverbindungshalbleiter-Materials der zweiten Schicht 2 in den zweiten Bereichen 22 weniger Aluminium eingebaut wird als in den ersten Bereichen 21, welche in der c-Ebenen-
Orientierung auf der ersten Schicht 1 aufwachsen. Die zweite Schicht 2 weist daher in ihren Randbereichen 22, welche an die Erhebungen 31 angrenzen, einen geringeren Aluminiumgehalt auf als in den ersten Bereichen 21, welche über den
Zwischenräumen 32 des Aufwachssubstrats 3 angeordnet sind.
Der in den zweiten Bereichen 22 der zweiten Schicht 2
verminderte Aluminiumgehalt wird in einem nachfolgenden Ätzschritt, dessen Ergebnis schematisch in Figur 5 dargestellt ist, ausgenutzt. Bei diesem Verfahrensschritt werden Teile der ersten Schicht 1 und der zweiten Schicht 2 mit einem Ätzmittel geätzt, dessen Ätzrate umso geringer ist, je höher der Aluminiumgehalt des
Nitridverbindungshalbleitermaterials ist .
Ein zur Durchführung eines solchen Ätzvorgangs geeignetes Ätzmittel ist insbesondere Wasserstoff. Beim Ätzvorgang mittels Wasserstoff werden die zweiten Bereiche 22 der zweiten Schicht 2 aufgrund ihres geringeren Aluminiumgehalts schneller abgetragen als die ersten Bereiche 21. Vorzugsweise werden die ersten Bereiche 21 der zweiten Schicht nicht vollständig und die zweiten Bereiche 22 vollständig
abgetragen. Nach dem Abtragen der zweiten Bereiche 22 setzt sich der Ätzvorgang in der ersten Schicht 1 fort. Da die erste Schicht 1 kein Aluminium aufweist, ist die Ätzrate des Ätzmittels in der ersten Schicht noch größer als in den zweiten Bereichen 22 der zweiten Schicht. Da der Ätzvorgang der ersten Schicht 1 in den an die Erhebungen 31 angrenzenden Bereichen startet, wird die erste Schicht 1 insbesondere an der Grenzfläche zu den Erhebungen 31 teilweise abgetragen.
Wie in Figur 5 schematisch dargestellt, kann der Ätzvorgang beispielsweise solange durchgeführt werden, bis die erste
Schicht 1 zumindest teilweise bis zu den Zwischenräumen 32 an der Oberfläche des Aufwachssubstrats 3 abgetragen ist. Der Ätzvorgang wird dann gestoppt, indem insbesondere das
Ätzmittel Wasserstoff aus dem Reaktor entfernt wird. Bei der Herstellung der Nitridverbindungshalbleiterschichten mittels MOVPE wird in der Regel H3 in die Beschichtungsanlage eingeleitet. Die NH3-Zufuhr wird vorzugsweise während des Ätzprozesses unterbrochen und bei Beendigung des Ätzprozesses wieder aufgenommen.
Bei dem in Figur 6 dargestellten Verfahrensschritt wird eine weitere Nitridverbindungshalbleiter-Schicht 41 auf die zweite Schicht 2 aufgewachsen, welche eine ausreichend große Dicke aufweist, dass sie die durch die Erhebungen 31 voneinander separierten Bereiche der zweiten Schicht 2 überwächst und zu einer geschlossenen Schicht heranwächst. Die weitere
Nitridverbindungshalbleiter-Schicht 41 kann insbesondere eine GaN-Schicht sein.
In einem weiteren in Figur 7 dargestellten Verfahrensschritt werden weitere Nitridverbindungshalbleiter-Schichten
aufgewachsen, beispielsweise eine Leuchtdiodenschichtenfolge 42 für eine LED. Die Leuchtdiodenschichtenfolge 42 kann insbesondere einen n-dotierten Halbleiterbereich 43, eine aktive Schicht 44 und einen p-dotierten Halbleiterbereich 45 aufweisen. Die nur vereinfacht dargestellte
Leuchtdiodenschichtenfolge 42 kann aus einer Vielzahl von Einzelschichten zusammengesetzt sein, wobei derartige
Schichtenfolgen an sich bekannt sind und daher nicht näher erläutert werden.
Bei dem in Figur 8 dargestellten Zwischenschritt ist die Leuchtdiodenschichtenfolge 42 an einer dem Aufwachssubstrat 3 gegenüberliegenden Seite mit einem Träger 7 verbunden worden. Bei dem Träger 7 kann es sich insbesondere um einen Silizium- Wafer handeln. Der Träger 7 kann mit einer Verbindungsschicht 6 wie beispielsweise einer Lotschicht mit der
Leuchtdiodenschichtenfolge 42 verbunden werden. Vorteilhaft wird die Leuchtdiodenschichtenfolge 42 vor der Verbindung mit dem Träger 7 mit einer Spiegelschicht 5 versehen, um im fertiggestellten Nitridverbindungshalbleiter-Bauelement in Richtung des Trägers 7 emittierte Strahlung zur
gegenüberliegenden Strahlungsaustrittsfläche zu reflektieren und auf diese Weise die Strahlungsausbeute zu verbessern. In dem in Figur 9 dargestellten Zwischenschritt wird das Aufwachssubstrat 3 von der hergestellten Schichtenfolge abgelöst. Das Aufwachssubstrat 3 kann insbesondere durch einen Laser-Lift-Off-Prozess von der Schichtenfolge abgelöst werden. Alternativ kann das Aufwachssubstrat 3 zum Beispiel durch Anwendung von Ultraschall, durch ein nasschemisches
Verfahren, durch die Erzeugung von Scherkräften, insbesondere durch eine Temperaturbehandlung, oder durch rein mechanische Krafteinwirkung abgelöst werden. Das Ablösen des Aufwachssubstrats 3 wird bei dem Verfahren vorteilhaft dadurch erleichtert, dass die an das
Aufwachssubstrat 3 angrenzende erste Schicht 1 durch den Ätzprozess zumindest teilweise entfernt wurde, insbesondere an den an die Erhebungen 31 angrenzenden Bereichen der
Oberfläche des Aufwachssubstrats 3. Das hier beschriebene
Verfahren ermöglicht es daher insbesondere, das strukturierte Aufwachssubstrat 3 von der Schichtenfolge des
Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements abzulösen, was ansonsten nur schwer oder sogar gar nicht möglich wäre.
Bei einer alternativen Variante des Verfahrens wird bei dem in Fig. 6 dargestellten Verfahrensschritt eine sehr dicke weitere Nitridverbindungshalbleiterschicht 41, insbesondere eine dicke GaN-Schicht aufgewachsen, deren Dicke bevorzugt zwischen 500 ym und 1000 ym beträgt. Diese kann vor dem
Aufwachsen einer Leuchtdiodenschichtenfolge von dem
Aufwachssubstrat 3 abgelöst werden und aufgrund ihrer großen Dicke als freitragendes Substrat zum Aufwachsen weiterer Schichten, insbesondere einer Laserdiodenstruktur oder einer Leuchtdiodenstruktur, fungieren.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die
Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines
Nitridverbindungshalbleiter-Bauelements, umfassend die Schritte :
- Bereitstellen eines strukturierten Aufwachssubstrats (3) , das eine Oberflächenstruktur aufweist, wobei die Oberflächenstruktur Erhebungen (31) aufweist, die nicht aneinander angrenzen, und wobei das
Aufwachsubstrat in Zwischenräumen (32) zwischen den Erhebungen (31) eine ebene Oberfläche aufweist,
- Aufwachsen einer ersten Schicht (1), welche GaN
aufweist und die Oberflächenstruktur nicht vollständig überdeckt,
- Aufwachsen einer zweiten Schicht
(2), welche AlxGai-xN mit 0 < x -S 1 aufweist, auf die erste Schicht (1), Durchführung eines Ätzprozesses, bei dem die erste Schicht (1) zumindest an einer Grenzfläche zum
Aufwachssubstrat
(3) teilweise entfernt wird,
- Aufwachsen mindestens einer weiteren
Nitridverbindungshalbleiter-Schicht
(4), und
- Ablösen des Aufwachssubstrats (3) .
Verfahren nach Anspruch 1,
wobei das strukturierte Aufwachssubstrat (3) ein
strukturiertes Saphirsubstrat ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erhebungen (31) die Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfs aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Erhebungen (31) im Mittel eine Breite zwischen 1 ym und 4 ym aufweisen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Erhebungen (31) im Mittel eine Höhe zwischen 0,5 ym und 2,5 ym aufweisen.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Erhebungen (31) im Mittel einen Abstand zwischen 0,2 ym und 0,8 ym aufweisen.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die erste Schicht (1) und die zweite Schicht (2) jeweils erste Bereiche (11, 21), die in der c-Ebene orientiert sind, und zweite Bereiche (12, 22), die nicht in der c-Ebene orientiert sind, aufweisen.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
wobei die zweiten Bereiche (12, 22) an die Erhebungen (31) der Oberflächenstruktur angrenzen.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die zweite Schicht (2) eine Dicke von 2 nm bis 50 nm aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die zweite Schicht (2) AlxGai-xN mit 0,05 < x ^ 0,1 aufweist .
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Ätzprozess mittels Wasserstoff erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Ablösen des Aufwachssubstrats (3) mittels Laser-Lift-Off erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine weitere Schicht vor dem Ablösen des Aufwachsubstrats (3) mit einem Träger (7) verbunden wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine weitere Schicht eine
Leuchtdioden-Schichtenfolge (42) umfasst.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
wobei die mindestens eine weitere Schicht eine GaN- Schicht (41) mit einer Dicke von 500 ym bis 1000 ym umfasst .
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