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. SiOx) 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