GaN Technologie

In den letzten 30 Jahren haben die Halbleiter der Gruppe-III-Nitride – also Ga_xAl_yIn_1-x-yN – die Optoelektronik revolutioniert. Basierend auf der 1989 gezeigten p-Dotierung von GaN wurde im Jahr 1992 erstmalig eine effiziente blaue Leuchtdiode (LED) vorgestellt, der 1997 eine blaue Laserdiode folgte. Diese Entwicklungen wurden 2014 mit dem Nobelpreis für Physik honoriert. Das Haupteinsatzgebiet mit einem geschätzten Marktvolumen von 64 Milliarden US$ im Jahr 2020 ist die Beleuchtungstechnik.

Diese Entwicklung der Gruppe-III-Nitride wurde erst durch die Technologie der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) ermöglicht. Diese ist die bevorzugt genutzte Wachstumsmethode für kommerziell genutzte Halbleitermaterialien.

In der MOVPE werden Hydride (z.B. Ammoniak) und metallorganische Quellmaterialien (z.B. Trimethylgallium), teils mit einem Trägergas, in den Reaktor transportiert. Im Reaktor wird der Suszeptor, der die einkristallinen Wachstumssubstrate (Wafer) trägt, auf Oberflächentemperaturen um die 1100 °C geheizt. Bei diesen Temperaturen brechen die Moleküle der Quellengase zumindest teilweise auf. Während sich z.B. Ga und N auf der kristallinen Wafer-Oberfläche zu GaN anordnen, werden die restlichen Moleküle mit dem Trägergas (Wasserstoff oder Stickstoff) aus dem Reaktor gepumpt und in einem Abgaswäscher aus der Abluft gefiltert. Besonders wichtig ist bei einem MOVPE-Prozess die hohe Reinheit (Verunreinigungen durch Quellmaterialien oder Lecks müssen vermieden werden) und die gute Kontrolle über die Prozessparameter (insbesondere Temperatur, Druck und Gasflüsse) und damit die Eigenschaften der aufgewachsenen Halbleiterschichten.

Am Institut für Halbleitertechnik stehen zwei MOVPE-Anlagen für die Epitaxie von Gruppe-III-Nitriden zur Verfügung. GaN, InGaN und AlGaN-Schichten können als kristalline Schichten mit kontrollierter Schichtdicke und Dotierstoffkonzentration gewachsen werden. Darauf basierend werden Schichtstapel anwendungsspezifisch ausgelegt und hergestellt. Die kristallinen Schichten werden dann im nächsten Schritt charakterisiert (z.B. mittels XRD, SEM, AFM, CL, PL oder TEM, siehe auch Nano-Analytik) und je nach Anwendung prozessiert (siehe auch Prozessierung/Tiefätzen).

Neben dem Wachstum von planaren Schichten beschäftigen wir uns außerdem mit der Epitaxie von dreidimensionalen Strukturen. Diese werden mittels selektiver Epitaxie hergestellt: Ein Templat (Wafer mit GaN-Pufferschicht) wird teilweise mit einer strukturierten SiO_x-Wachstumsmaske abgedeckt. In den beispielsweise linienförmigen Öffnungen wachsen in der MOVPE unter speziellen Bedingungen Rippen aus GaN, die sogenannten Fins. Sie weisen nicht-polare Seitenflächen mit geringen Defektdichten auf, was die Effizienz von LEDs deutlich steigern könnte. Wir untersuchen Fin-LEDs sowohl für den sichtbaren (InGaN/GaN) als auch für den ultravioletten Spektralbereich (AlGaN/GaN).

Kontakt: Jana Hartmann

Das Marktvolumen von auf Galliumnitrid (GaN) basierenden Halbleitern wird auf 64 Milliarden US-$ im Jahr 2020 geschätzt und wird im Wesentlichen durch die Technologie der metallorganischen Gasphasenepitaxie ermöglicht (MOVPE). Auf der anderen Seite ist auch die physikalische Kathodenzerstäubung (Sputtern) weit entwickelt und findet Anwendungen für funktionale Oberflächen wie Isolationsschichten, Wärmedämmschichten oder auch Solarzellen und transparente Elektroden. Sie ist gut skalierbar, sowie sicherer und günstiger verglichen mit der MOVPE. Die Idee, die Kathodenzerstäubung auch im Hinblick auf ein reaktives Abscheiden von kristallinen Gruppe-III-Nitrid-Schichten zu untersuchen, liegt nahe.

Im Rahmen des vom BMBF unterstützten Projektes PlanB ist das reaktive gepulste Gleichstrom-Sputtern von GaN, InGaN und AlGaN untersucht worden. Es konnten epitaktische Schichten in verschiedenen Indium- und Aluminium-Gehalten abgeschieden werden. Quantenstrukturen und der Einbau von Dotanten wie Silicium und Magnesium per Co-Sputtern wurden gezeigt.

Seit Anfang 2019 konzentriert sich die Arbeit vor allem auf den ultravioletten (UV) Bereich. Da der Unterschied in den Gitterkonstanten zwischen AlGaN mit hohem Aluminium-Gehalt und Saphir im Vergleich zu GaN und Saphir immer größer wird, werden LEDs für den tiefen UV-Bereich auf AlN-Templates gewachsen. Eine vielversprechende Technologie ist hier das Sputtern von AlN auf Saphir oder SiC mit anschließendem thermischen Ausheilen bei ca. 1700°C [1]. Dadurch organisiert sich die multikristalline AlN-Schicht um und weist eine für AlN hohe Kristallqualität mit einer Dichte durchstoßender Versetzungen von etwa 5∙10⁸ cm^-2 auf. Das ist die Größenordnung, unterhalb der die interne Quanteneffizienz theoretisch bis zu 80 % betragen kann [1].

_{[1] M. Kneissl (2016) A Brief Review of III-Nitride UV Emitter Technologies and Their Applications, published in M. Kneissl, J. Rass: III-Nitride Ultraviolet Emitters Technology and Applications}

Kontakt: Lukas Peters

Zusätzlich zu den MOVPE-Anlagen, beherbergt der institutseigene Reinraum die ganze Prozessierungskette zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen. Für die Strukturübertragung haben wir diverse Lithographie-Methoden zur Verfügung, wobei die Photolithographie und die Nanoimprint-Lithographie am häufigsten zum Einsatz kommen. GaN kann entweder nasschemisch oder trocken mittels reaktivem Ionenätzen (RIE-ICP, Reactive Ion Etching by Inductively Coupled Plasma) geätzt werden. Eine Kombination aus diesen beiden Methoden wird zum Tiefätzen von GaN 3D Strukturen verwendet (siehe „Tiefätzen“). Außerdem gibt es RTA (Rapid Thermal Annealing) Öfen, die zum Aktivieren des p-GaNs oder zum Ausheilen von Kontakten verwendet werden. Eine Elektronstrahl-Aufdampfanlage steht zur Verfügung und kann für die Abscheidung von Metallkontakten (z.B. Ti oder Au) oder Isolationsschichten (z.B. SiO_x) verwendet werden. Zusätzlich können wir Atomic Layer Deposition (ALD) nutzen, um sehr dünne und höchst konforme Schichten aus SiO₂, ZnO or Al₂O₃ abzuscheiden. Eine Wafersäge wird für die Vereinzelung von Chips genutzt. Ein neues Laser-Lift-Off-(LLO) System bietet weitere Möglichkeiten für die Prozessierung von GaN und Saphir.

Laserbearbeitung von Nitridhalbleitern und Saphirsubstraten

Durch enorme Fortschritte hinsichtlich der Leistungsdichte und Strahlqualität bieten moderne Laseranlagen vielfache Möglichkeiten in der Materialbearbeitung. In unserem LENA-Optiklabor steht ein gepulster Festkörperlaser in Industriequalität zur Verfügung. Die Pulsdauer lässt sich dabei zwischen 300 fs und 10 ps bei einer Wiederholungsrate von 200 kHz und einer Grundwellenlänge von 1040 nm einstellen. Die ultrakurzen Pulse begrenzen den Energieübertrag auf das Kristallgitter während der Laserbearbeitung, so dass die Wärmeeinflusszone im Vergleich zu Nanosekunden-Pulsen und der Dauerstrichanregung klein ausfällt. Durch Frequenzkonversion können auch kürzere Wellenlängen von 520 und 348 nm für verschiedene Materialbearbeitungsschritte erzeugt werden.

Der Laserstrahl wird mittels verschiedener Objektive auf die Probenoberfläche fokussiert. Das Abrastern entlang der Oberfläche kann entweder durch einen Galvanometerscanner erfolgen, der den Strahl durch kippbare Spiegel schnell ablenkt, oder durch Verfahren der Probe mit einem xy-Positionierer. Verschiedene Prozesssequenzen können in einer entsprechenden Softwareumgebung erstellt und dann automatisch durchlaufen werden.

Derzeit werden zwei Forschungsschwerpunkte mit Hilfe des Lasersystems untersucht. Zum einen wird das System für einen LLO-Prozess von GaN-basierten LEDs auf Saphir eingesetzt. Saphir hat sich als zuverlässiges und kostengünstiges Substrat für das epitaktische Wachstum von funktionellen GaN-Schichten etabliert. Für bestimmte Anwendungen wie Hochleistungs- oder strukturierte LEDs sind jedoch andere Substrate, z. B. Metalle oder nicht transparente Halbleiter, günstiger. Durch Bestrahlung der Waferrückseite mit intensiven Laserpulsen kann die LED-Schicht durch Verdampfen einer Schicht zwischen Bauelement und Substrat vom Träger getrennt werden. Wir konnten zeigen, dass dieser Prozess, der normalerweise mit gepulsten Nanosekunden-Excimerlasern durchgeführt wird, mit ultrakurzen Pulsen bei 520 nm realisiert werden kann.

Zum anderen wird das System zur direkten Strukturierung von Saphirsubstraten eingesetzt. Im Institut hergestellte µLEDs werden üblicherweise als Bottom-Emitter ausgeführt, d.h. die Hauptemission findet in Richtung des darunterliegenden Saphirsubstrats statt. Für eine effiziente Verwendung, z. B. beim Einkoppeln in eine Faser, kann es vorteilhaft sein, die Dicke des Saphirs zu verringern. Dazu wird vor dem epitaktischen GaN-Wachstum eine präzise laserbasierte Vorstrukturierung des Saphirwafers vorgenommen. Darüber hinaus kann das Lasersystem als letzter Prozess in der Produktionskette zur Chipvereinzelung verwendet werden.

Kontakt: Jana Hartmann

Dreidimensionale (3D) Architekturen wie Nano/Mikrodrähte oder -Wände („Fins“) können diverse Vorteile im Vergleich zu planaren Schichten bieten: Sie weisen ein großes Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis auf, haben nicht-polare Seitenwände und potenziell sehr kleine Grundflächen, sodass es zu einer Relaxation des Kristallgitters kommen kann. Im Institut werden 3D Architekturen für optoelektronische (z.B. flexible LEDs), elektronische (z.B. Feldeffekttransistoren, FETs) oder sensorische Anwendungen eingesetzt. Die Strukturen können entweder durch Bottom-Up- (epitaktisches Wachstum, siehe selektives Wachstum in „Epitaxie“) oder Top-Down- (Ätzen) Methoden hergestellt werden. Letztere ist im Schema unten dargestellt. Mit Hilfe von Lithographie wird eine Chrom-Maske strukturiert, welche als Hartmaske für das Ätzen in der ICP-RIE dient. Nach dem Plasmaprozess sind die Oberflächen jedoch sehr rau und ein zweiter Ätzschritt ist unausweichlich, in einer KOH-basierten wässrigen Ätzlösung. Dieser sorgt für glatte Oberflächen und vertikale Seitenwände. Mit Hilfe dieser Tiefätzmethode können 3D Architekturen mit weitestgehend frei wählbaren Formen und Größen hergestellt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Top-Down-Methode ist, dass vertikale Profile entlang der Höhe der Architekturen (z.B. axiale pn-Übergänge) realisierbar sind: Die verschiedenen Schichten mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen und Dotierkonzentrationen können je nach Anwendung entworfen und als planare Schichten in der MOVPE gewachsen werden. Durch das planare Wachstum kommt es zu keinen einschränkenden Bedingungen (z.B. bezüglich der Materialzusammensetzung), die jedoch beim selektiven 3D Wachstum auftreten würden. Erst nach der Epitaxie erfolgt dann die Strukturierung zu den gewünschten Architekturen mittels der zuvor beschriebenen Ätzmethode.

Kontakt: Jana Hartmann

Gallium-Nitrid-basierte (GaN) LEDs haben sich in den letzten drei Jahrzehnten als dominierende Lichtquelle für den Automotive-Bereich bis hin zur Allgemeinbeleuchtung etabliert. Dabei wurden LED-Chips immer effizienter und gleichzeitig immer größer. Heute werden interne Quanteneffizienzen von über 90 %, nahe am theoretischen Limit, erreicht. Aus einer Fläche von 1 mm² können mittlerweile 300 Lumen/Watt an weißem Licht emittiert werden. GaN LEDs werden deshalb in naher Zukunft alle anderen Leuchtmittel vollständig verdrängen.

Im Gegensatz zu großflächigen Hochleistungs-LEDs werden mittlerweile MikroLEDs (µLEDs) mit Dimensionen von 1 - 50 µm immer interessanter, hauptsächlich getrieben durch Entwicklungen in der Displaytechnologie. Über diesen Anwendungszweck hinaus können viele weitere Applikationen abgeleitet werden.

Am Institut für Halbleitertechnik werden diese µLED arrays entwickelt, hergestellt und charakterisiert. Es handelt sich hierbei um Chips, die eine Vielzahl von µLEDs in bestimmten Anordnungen inklusive der Kontaktstrukturen enthalten. Ein solches µLED array mit 5 µm Pixelgröße ist im Bild (links) dargestellt. Die entsprechenden Chips werden mit in-House entwickelten Platinen verbunden, um vollständige integrierte Systeme zu erzeugen, eine solche Platine ist im Bild (rechts) dargestellt. Die Ansteuerung der µLED arrays erfolgt dann über eine graphische Benutzeroberfläche, um somit beliebige Leuchtmuster und -animationen wiedergeben zu können.

Die Anwendungsfelder am Institut für Halbleitertechnik für diese µLED-Plattform sind die chip-basierte, superauflösende Mikroskopie (Projekt Chipscope), die Auflösungsverbesserung der holographischen Mikroskopie, die optische Manipulation einzelner Atome (EXC QF) und energiesparende Gas- und Fasersensoren.

Kontakt: Jan Gülink

Elektrische Energie ist ein grundlegender Bestandteil unserer heutigen Gesellschaft und ist aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Insbesondere im Zuge der Umstellung auf erneuerbare Energien spielt auch die Entwicklung leistungsstarker und effizienter elektrischer Wandler eine wichtige Rolle, die wiederum auf Transistoren, den wichtigsten Grundbausteinen elektronischer Schaltungen, beruhen. Dabei stellen Halbleitermaterialien mit großer Bandlücke wie Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC) einen Schlüsselfaktor für das Erreichen hoher Durchbruchspannungen und Umwandlungseffizienzen dar.

Die exzellenten Materialeigenschaften von GaN, welches hauptsächlich durch die breite Anwendung in LEDs bekannt ist, haben vor etwa zehn Jahren zur ersten Kommerzialisierung von GaN Transistoren geführt. Das Konzept dieser sogenannten „High Electron Mobility“ Transistoren (HEMTs) beruht auf der überragenden Leitfähigkeit eines zweidimensionalen Elektronengases, welches sich aufgrund von internen Polarisationsfeldern automatisch an der Grenzfläche zwischen GaN und AlGaN bildet. Dadurch werden hervorragende Transporteigenschaften und extrem schnelle Schaltzeiten erreicht. Die planare Form der HEMTs und der ohne Anlegen einer äußeren Gatespannung normalerweise leitende Zustand des Elektronengases schränken jedoch die Anwendung für Leistungselektronik insbesondere im höheren Spannungsbereich ein.

Am Institut für Halbleitertechnik untersuchen wir ein neuartiges vertikales Transistorkonzept auf der Basis von regelmäßig angeordneten GaN Nano- und Mikrostrukturen, welches zahlreiche potentielle Vorteile vereint. Hergestellt werden die GaN Strukturen durch das gezielte Tiefätzen (siehe "Tiefätzen") eines vorab via metallorganischer Gasphasenabscheidung (MOVPE) epitaktisch gewachsenen planaren GaN Wafers. Die GaN Strukturen werden von allen Seiten gleichmäßig mit einer dielektrischen Oxidschicht und anschließend mit dem Gate-Metall ummantelt, welches bei Anlegen einer positiven Spannung per Feldeffekt einen vertikalen Kanal dicht an der Oberfläche der Seitenwände öffnet und so den Stromfluss zwischen Ober- und Unterseite der Strukturen steuert. Die Dreidimensionalität der Strukturen führt dabei zu einer hervorragenden elektrostatischen Kontrolle des Kanals durch das Gate. Des Weiteren ermöglichen GaN Nanostrukturen die teilweise Relaxation von Verspannungen und verfügen über große nicht-polare Oberflächen an ihren Seitenwänden, welche für die Realisierung von Transistoren im Verarmungsmodus geeignet sind, der für sicheres Schalten bevorzugt ist. Gleichzeitig ist die vertikale Architektur vorteilhaft für hohe Durchbruchspannungen auf verringerter Chipfläche und erlaubt prinzipiell ein beliebiges Skalieren des Stromflusses durch parallele Integration entsprechend vieler Nanostrukturen in einem Bauelement.

Es wurden mehrere vertikale Transistoren aus GaN Nanodrähten sowie aus mechanisch robusteren GaN Fin Strukturen realisiert und demonstrieren die Funktionalität des Konzepts. Unterstützt wird das Projekt durch Bauelement-Simulationen seitens der Gruppe von Bernd Witzigmann vom Computational Electronics and Photonics (CEP) Institut der Universität Kassel.

Kontakt: Jana Hartmann