Sputterepitaxie von Gruppe III-Nitriden

Abstract

Für epitaktisches Wachstum von nitridischen Halbleiterschichten sind nur wenige Verfahren bekannt, bei denen eine hinreichend gute Materialqualität erzielt wird, um aktive Bauelemente herzustellen. Die zwei industriell wichtigsten sind die metallorganische Gasphasenepitaxie und die Molekularstrahlepitaxie. In dieser Arbeit wird die Einsetzbarkeit einer weiteren Methode, der reaktiven Sputterepitaxie, untersucht. Im Unterschied zu den vorgenannten Verfahren werden hierbei die für das Wachstum benötigten reaktiven Spezies durch ein hochenergetisches Plasma erzeugt. Das Sputtern ist vorrangig als Abscheidevorgang für amorphe oder texturierte Schichten bekannt, bei dem die Kristallqualität nur eine untergeordnete Rolle einnimmt. Um leistungsfähige elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente herzustellen, ist eine hochwertige Kristallqualität jedoch essentiell. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Anwendbarkeit der reaktiven Sputterepitaxie zur Herstellung einkristalliner und elektronisch sowie optisch hochwertiger Nitridhalbleiterschichten. Dabei wird auf die Kompatibilität mit den für Nitride gängigen Substraten, Saphir und Silizium, fokussiert. Deshalb wird zuerst das epitaktische Wachstum von Aluminiumnitrid (AlN) betrachtet, dass sich als Grundlage für den Beginn des heteroepitaktischen Wachstums auf beiden Substraten geeignet ist. Aus der Kombination der Betrachtungsweisen der konventionellen Epitaxie und des Magnetronsputterns können neue Erkenntnisse und Einblicke in den Wachstumsprozess beim reaktiven Sputtern von Nitriden gewonnen werden. Die Verwendung der in-situ Metrologie und der optischen Plasmaanalyse hilft bei der Identifikation der für die Kristallinität der Schicht relevanten Parameter. Vor allem die Wachstumstemperatur, die Plasmazusammensetzung und das Anwachsen an das Substrat sind ausschlaggebend. Durch die verschiedenen nachfolgenden Untersuchungsmethoden können für die Sputterepitaxie erstmals atomar glatte Schichten mit sehr guter kristalliner Qualität nachgewiesen werden. Für das Wachstum von Galliumnitrid (GaN) finden sich in der Sputterepitaxie signifikante Unterschiede zum AlN-Wachstum. Die Sputterepitaxie von GaN erfordert sowohl hinsichtlich einer stabilen Plasmakontrolle als auch einer Wachstumskontrolle andere Bedingungen als für das AlN. Bei zu hohen Wachstumstemperaturen setzen Desorptionseffekte an der Substratoberfläche ein. Aus diesem Grund kann das GaN-Wachstum nur in einem begrenzten Parameterraum untersucht werden. Die Grenzen werden aufgezeigt und innerhalb dieser ein Prozess definiert, in dem auch hier glatte Oberflächen mit sehr guter Kristallqualität erreichbar sind. Auf der Grundlage des AlN- und des GaN-Wachstums kann die Epitaxie von ternären Aluminiumgalliumnitrid-Schichten (AlGaN) demonstriert werden. Die Zusammensetzung und Qualität dieser Schichten werden durch die Plasmaleistungen, die Temperatur und die Gaszusammensetzung bestimmt. Durch kontinuierliches Aufeinanderwachsen der verschiedenen Schichten können bauelementnahe Pufferstrukturen erzeugt werden, mit denen insbesondere die Versetzungsdichten reduziert werden können. Gleichzeitig sind die gesputterten Schichten intrinsisch hochisolierend und können damit als Grundbaustein für Transistoren genutzt werden.

There are only few techniques known for epitaxial growth of nitride semiconductors where a sufficient material quality is achieved to produce active devices. The most common ones are metalorganic vapour phase epitaxy and molecular beam epitaxy. This work deals with a different method, sputter epitaxy, where a high energetic plasma generates the necessary reactive species for growth. Sputtering is typically used for deposition processes where crystal quality is irrelevant. For active devices, this material parameter is an essential criterion. Aim of this work is to evaluate the possible application of this technique to achieve nitride semiconductors, which are single crystalline as well as electrically and optically of high quality. The focus is on compatibility with the substrates commonly used for nitrides, sapphire and silicon. As basis for hetero-epitaxial growth, the start with aluminium nitride (AlN) is well established. A combination of considerations from the classical epitaxial methods and sputter deposition is used to gain new insights at the reactive sputter process for nitrides. The use of in-situ metrology and optical plasma analysis enables the determination of critical process parameters for crystallinity during growth. Especially growth temperature, gas mixture and nucleation on the substrate are decisive. In association with the post growth characterisation, atomically flat surfaces with high crystal qualities are achieved for the first time with sputter epitaxy. There are significant differences for the growth of Galliumnitride (GaN) compared to AlN growth. With regard to plasma stability and growth control, the sputter epitaxy of GaN requires different conditions than for AlN. High growth temperatures induce desorption effects at the substrate surface. Thus, the parameter window is limited. The boundaries will be depicted and a process will be defined, in which smooth surfaces and high crystal qualities are obtained. Through the conjunction of the prior investigated processes, Aluminiumgalliumnitride (AlGaN) will be grown. The plasma powers, the temperature and the gas mixture will set the composition and quality of these layers. Continuous stacking of the different layers will lead to device ready buffers structures, where the dislocation densities are reduced. Simultaneously, the sputtered layers are intrinsically highly insulating and can be used as substructure for transistors.