AlN-Schichten mit reduzierten Versetzungsdichten als Basis für optoelektronische Bauelemente mit Emission im ultravioletten Spektralbereich

Für Leuchtdioden (LEDs) mit Emission im ultravioletten Wellenlängenbereich müssen AlN-Pufferschichten mit reduzierten Versetzungsdichten hergestellt werden. Eine sehr erfolgreiche Methode, um die Anzahl von Kristalldefekten zu reduzieren ist epitaktisches laterales Überwachsen (ELO). Bei der anschließenden Abscheidung von dicken AlN-Schichten nach dem ELO-Prozess nimmt die Defektdichte durch gegenseitige Versetzungsannihilation weiter ab. Darüber hinaus wird durch die ELO-Methode das Wachstum von rissfreiem AlN mit Schichtdicken von einigen Mikrometern möglich, während sich beim Wachstum auf planaren Saphirsubstraten ab 700 nm dicke Risse bilden.

Durch die Optimierung des ELO-Prozesses wurde am FBH eine effektive Versetzungsreduktion im AlN um nahezu drei Größenordnungen von 10¹¹ cm^-2 bis hinunter zu 108 cm^-2 erreicht. Die resultierende Versetzungsverteilung hängt dabei stark von der Richtung des Fehlschnittes des Saphirsubstrates ab. So entstehen durch einen Fehlschnitt von 0.25° in die m-Richtung des Saphirs in ELO-AlN(m)-Schichten geneigte Koaleszenzgrenzen und damit eine inhomogene Defektverteilung auf der Schichtoberfläche (Abb. 1 links). Diese Ausrichtung der Defekte führt zu Anisotropie der elektrischen und optischen Eigenschaften der Schichten, die bei der Herstellung von Bauelementen berücksichtigt werden muss. Der erfolgreiche Einsatz dieser Schichten als Unterlage sowohl für LED-Strukturen mit Lichtemission im Spektralbereich zwischen 320 nm und 280 nm als auch für solarblinde AlGaN-basierte UV-Photodetektoren wurde demonstriert.

Die erfolgreiche Defektreduktion wird jedoch von einigen Herausforderungen begleitet, die durch den Fehlschnitt der Saphir-Substrate hervorgerufen werden. So führt beispielweise der Fehlschnitt zur m-Ebene des Saphirs bei der verwendeten Substratgeometrie zur Entstehung von periodisch angeordneten Makrostufen auf der Oberfläche der koaleszierten ELO-AlN-Schichten (Abb. 1 rechts). Diese Makrostufen können einen negativen Einfluss sowohl auf die Kristallqualität als auch die Homogenität der Zusammensetzung der anschließend gewachsenen AlGaN-Schichten mit hohem Ga-Gehalt haben.

Im Gegensatz dazu verursacht der Fehlschnitt in die senkrechte a-Richtung des Saphirsubstrates die Entstehung von vertikalen Koaleszenzgrenzen in ELO-AlN. Diese breiten sich durch die ganze Schichtdicke aus und führen zu einer homogeneren Defektverteilung auf der Schichtoberfläche (Abb. 2). Diese ELO-AlN-Schichten weisen eine glatte Oberflächenmorphologie auf und sind vielversprechend für LED-Strukturen mit Lichtemission im Wellenlängenbereich < 280 nm.

FBH-Forschung: 16.06.2014