ESTRUCTURA DE CAPAS DE UN COMPONENTE SEMICONDUCTOR DE NITRURO SOBRE UNA SUPERFICIE DE SUBSTRATO DEL GRUPO IV Y PROCEDIMIENTO PARA SU FABRICACIÓN.

Componente semiconductor de nitruro, con una estructura de capas de nitruro del grupo III,

que ha sido precipitada de forma epitáctica sobre un substrato con una superficie de substrato del grupo IV de un material de substrato del grupo IV con una estructura cristalina cúbica, en el que la superficie de substrato del grupo IV presenta, sin tener en cuenta una reconstrucción de la superficie, una célula elemental con una simetría C2, pero con ninguna simetría rotacional superior a la simetría C2, y en el que la estructura de capas de nitruro del grupo III presenta de forma directamente adyacente a la superficie de substrato del grupo IV una capa de pre-germinación, ya sea de GaN ó AlN, o bien de Al1-x-yInxGayN ternario o cuaternario, 0 ≤ x, y< 1 y x + y ≤ 1, caracterizado porque la superficie de substrato del grupo IV es una superficie {nml}, donde n, m son números enteros distintos de cero, y l ≥2.

Estructura de capas de un componente semiconductor de nitruro sobre una superficie de substrato del grupo IV y procedimiento para su fabricación La presente invención se refiere a un componente semiconductor de nitruro con una estructura de capas de nitruro del grupo III sobre una superficie de substrato del grupo IV tal como silicio, germanio, diamante o un cristal mixto en este sistema de semiconductores del grupo IV.

El nitruro de galio (GaN) orientado según el eje c, que ha crecido de forma epitáctica sobre un substrato de silicio con una superficie de substrato (111) corresponde actualmente al estado de la técnica y está disponible comercialmente.

También facilitan el crecimiento epitáctico desarrollos más novedosos sobre una superficie de substrato (100) de Si, pero con una peor calidad de cristal. A tal efecto, resulta interesante la utilización de un superficie (100) de Si como superficie de substrato para una estructura de capas de nitruro de grupo 111 para aplicaciones en la microelectrónica, porque de esta manera resulta más fácil, por ejemplo, la integración de componentes basados en GaN en la electrónica de silicio.

En adelante, al mencionar el crecimiento sobre una superficie de substrato se entenderá, tal como suele ser habitual en el uso lingüístico entre expertos, que este crecimiento es o ha sido epitáctico. Una capa precipitada de forma epitáctica adopta, como se sabe, la estructura de red del substrato sobre el cual crece, o se orienta según la simetría predeterminada por la misma y adopta, en función del desajuste de red, las constantes de red hasta grosores de monocapas que llegan hasta a los micrómetros. Por lo tanto, no será imprescindible, en adelante, mencionar el término "epitáctico" adicionalmente, cuando se habla del crecimiento sobre una superficie de substrato. Conocidos procesos de precipitación no epitácticos tales como, por ejemplo, el chisporroteo generan capas amorías o policristalinas, en el mejor de los casos texturadas, pero no monocristalinas que no resultan adecuadas para componentes optoelectrónicos según los estándares actuales.

El crecimiento de nitruros del grupo III sobre germanio o diamante se ha reportado en alguna ocasión y asimismo tiene algunas ventajas para determinados casos de aplicación de componentes semiconductores de nitruro. Estas ventajas son, por ejemplo, la ausencia del denominado "meltback-etching" y, en el caso del diamante, una conductividad térmica insuperada. El inconveniente del diamante y también del germanio como material de substrato consiste generalmente en su precio claramente más elevado si se compara con silicio y, en el caso del germanio, adicionalmente un punto de fusión más bajo, por debajo de los 1000º C.

La calidad de las capas semiconductoras de nitruro del grupo III fabricados sobre silicio (111) y, en especial, sobre silicio (001) generalmente no es tan buena como la de aquéllas que se fabrican sobre substratos de zafiro o SiC con estructura cristalina hexagonal que se sigue utilizando mayoritariamente. Una razón para la peor calidad es un peor ajuste de red de los cristalitos de GaN o, en su caso, de los cristalitos de AlN utilizados como capa de germinación, en especial su retorcido, también denominado "twist", sobre la superficie de silicio. Incluso tras un crecimiento de capa de 1 μm, esto tiene como consecuencia casi siempre una densidad de dislocación de más de 109 cm-2.

La fabricación de componentes de capa delgada tales como LEDs, FETs o MEMS altamente eficientes sobre Si (100) sólo es posible con mucha dificultad debido a la mala calidad cristalina, y sobre Si (111) debido a una difícil eliminación del substrato mediante grabado, así como grabado de pequeñas estructuras mediante el grabado local del silicio para aplicaciones sensoriales. Sobre Si (111) el grabado químico húmedo de la superficie del cristal sólo es posible con soluciones muy agresivas tales como, por ejemplo, a base de HF concentrado y HNO3 concentrado lo cual dificulta en el caso de aplicaciones de capa delgada el manejo y la protección del substrato de transferencia, así como de la capa de transferencia.

Por el documento WO 2006/100559 A1 se describe un procedimiento para la fabricación de un substrato para fabricar capas o aparatos semiconductores, que presenta las siguientes etapas:

- la disposición de una oblea de silicio con al menos una primera superficie que es adecuada como substrato para la síntesis de diamantes por CVD;

- el crecimiento de una capa de diamante de CVD de un grosor predeterminado que presenta una superficie de crecimiento sobre la primera superficie de la oblea de silicio;

- la reducción del grosor de la oblea de silicio a un valor determinado, y

- la disposición de una segunda superficie sobre la oblea de silicio que es adecuada para la síntesis de, como mínimo, una capa semiconductora, pudiendo la capa semiconductora ser utilizada en dispositivos electrónicos o para la síntesis de dispositivos electrónicos sobre la misma segunda superficie.

El documento US 2007/0072396 A1 se refiere a un procedimiento para la fabricación de substratos autoportantes con nitruros del grupo III, en especial, nitruro de galio (GaN) que se obtiene por crecimiento epitaxial utilizando un substrato de partida. A tal efecto, son precipitadas una capa intermedia monocristalina basada en silicio y una capa de sacrificio, evaporándose la capa de sacrificio de forma espontánea durante la etapa de la epitaxia de nitruro del grupo III.

Por el documento US 2003/0132433 A1 se muestran estructuras semiconductoras con componentes de nitruro de galio y una componente de silicio y germanio, así como un procedimiento para la fabricación de estas estructuras. A tal efecto, una capa sobre el substrato, o bien el mismo substrato es de nitruro de galio. Asimismo, una capa sobre un substrato, o bien el mismo substrato es de silicio-germanio. Mediante adaptación de tasas de expansión térmicas del nitruro de galio y del silicio-germanio se puede limitar la formación de roturas y la solicitación térmica dentro de las componentes. La superficie de la capa de silicio-germanio puede ser una capa epitáctica con una estructura monocristalina, cuya superficie está orientada según el plano (111) , (100) ó bien (110) .

En el documento Japanese Journal of Applied Physics (Revista japonesa de física aplicada) , tomo 31, nº 10, sección 01, 1 de octubre de 1992, páginas 3446-3451 se describen delgadas películas de nitruro de aluminio (AlN) orientadas según el eje c sobre silicio (110) que han sido generadas mediante chisporroteo reactivo en una atmósfera de argón y nitrógeno sin substrato de calentamiento.

Por el documento DE 101 51 092 A1 se da a conocer un procedimiento para la fabricación de estructuras emisoras de luz planares y resistentes a las fisuras, basadas en nitruro del grupo III, sobre substratos de silicio, siendo precipitadas una capa de germinación del grupo III-V que contiene aluminio, una o varias capas intermedias de baja temperatura del grupo III-V que contienen aluminio, así como una o varias capas intermedias SixNy precipitadas durante el crecimiento con una subsiguiente coalescencia de la capa siguiente dentro de un grosor de menos de un μm.

En el documento WO 2007/034761 A1 se describe un dispositivo semiconductor con un substrato monocristalino sobre el cual se han precipitado una capa de carburo de silicio y una capa intermedia. La capa intermedia está formada por un semiconductor de nitruro del grupo III. La capa de carburo de silicio tiene una estructura cristalina cúbica y su superficie presenta una estructura de reconstrucción (3x3) .

En el documento US 2007/210304 A1, finalmente, se muestra un semiconductor de nitruro monocristalino tal como nitruro de galio (GaN) o nitruro de aluminio (AlN) que está realizado en forma de una capa. Presenta una buena estructura cristalina sin formar una capa SiC-3C sobre un substrato de silicio, y puede ser utilizado para un diodo luminoso, un elemento emisor de luz láser, un componente electrónico o un dispositivo de alta frecuencia. Preferentemente, se utiliza una superficie (110) del substrato de silicio.

Los problemas indicados se pueden solucionar, de acuerdo con un primer aspecto de la invención, mediante un componente semiconductor de nitruro con una estructura de capas de nitruro del grupo III que ha sido precipitada de forma epitáctica sobre un substrato con una superficie de substrato del grupo IV de un material de substrato cúbico del grupo IV, en el que, sin tener en cuenta una reconstrucción de la superficie, la... [Seguir leyendo]

1. Componente semiconductor de nitruro, con una estructura de capas de nitruro del grupo III, que ha sido precipitada de forma epitáctica sobre un substrato con una superficie de substrato del grupo IV de un material de 5 substrato del grupo IV con una estructura cristalina cúbica, en el que la superficie de substrato del grupo IV presenta, sin tener en cuenta una reconstrucción de la superficie, una célula elemental con una simetría C2, pero con ninguna simetría rotacional superior a la simetría C2, y en el que la estructura de capas de nitruro del grupo III presenta de forma directamente adyacente a la superficie de substrato del grupo IV una capa de pre-germinación, ya sea de GaN ó AlN, o bien de Al1-x-yInxGayN ternario o cuaternario, 0 : x, y < 1 y x + y : 1, caracterizado porque la superficie de substrato del grupo IV es una superficie {nml}, donde n, m son números enteros distintos de cero, y l 2.

2. Componente semiconductor de nitruro, según la reivindicación 1, en el que la superficie de substrato del grupo IV es una superficie {11l} del silicio, donde se cumple l 2.

3. Componente semiconductor de nitruro, según la reivindicación 1, en el que la superficie de substrato del grupo IV es una superficie {41l} del silicio, donde se cumple l 2.

4. Componente semiconductor de nitruro, según la reivindicación 1, con una capa-tampón de Al1-x-yInxGayN, 0 : x, y < 1 y x + y : 1, directamente adyacente a la capa de pre-germinación. 20

5. Procedimiento para la fabricación de un componente semiconductor de nitruro que comprende la precipitación epitáctica de una estructura de capas de nitruro del grupo III sobre una superficie de substrato del grupo IV de un material de substrato del grupo IV con una estructura cristalina cúbica, en el que la estructura de capas de nitruro del grupo III es precipitada de forma epitáctica sobre una superficie de substrato del grupo IV que, para los fines de la definición conceptual sin tener en cuenta una reconstrucción de la superficie, presenta una célula elemental con una simetría C2, pero con ninguna simetría rotacional superior a la simetría C2, y en el que de forma directamente adyacente a la superficie de substrato del grupo IV una capa de pre-germinación de Al1-x-yInxGayN, 0 : x, y < 1 y x +

y : 1, es precipitada de forma epitáctica, caracterizado porque la superficie de substrato del grupo IV es una superficie {nml}, donde n, m son números enteros distintos de cero, y l 2. 30

6. Procedimiento, según la reivindicación 5, que comprende la eliminación parcial o completa del substrato por química húmeda o seca, una vez precipitada de forma epitáctica la estructura de capas de nitruro del grupo III.

7. Procedimiento, según la reivindicación 5 ó 6, en el que la capa de pre-germinación es precipitada mediante

epitaxia organometálica en fase de vapor, MOVPE, y en el que la capa de pre-germinación es precipitada de forma epitáctica con una porción de átomos de aluminio de, como mínimo, el 90 % del número total de átomos del grupo III en la capa de pre-germinación.