Kostengünstige Fertigung Einkristalline Galliumnitrid-Substrate

Galliumnitrid (GaN) gilt unter Fachleuten der Mikroelektronik als ein wichtiges Halbleitermaterial der Zukunft. Bislang genutzte Verfahren produzieren zu viele Kristallbaufehler in der Epitaxialschicht. Ein möglicher Ausweg: arteigene, einkristalline GaN-Substrate. Doch diese sind heute zehnmal teurer als Gold. Das soll sich ändern.

Galliumnitrid kommt heute bereits in weißen und blauen Leuchtdioden für energiesparende Lichtquellen zum Einsatz. Das Material wird auch für den Mobilfunk eine wichtige Rolle beim effizienten Verstärken und schnellen Übertragen von Informationen spielen. Ein sehr großes Marktpotenzial besitzt GaN außerdem für verlustarme, hocheffiziente Leistungsbauelemente zum Wandeln von elektrischer Leistung, zum Beispiel in Computernetzteilen, bei der Photovoltaik oder in künftigen Elektrofahrzeugen.

Nach heutigem Stand der Technik kommt für weiße und blaue Leuchtdioden das GaN in Form einer hauchdünnen kristallinen Schicht, die auf einem Substrat aus Saphir oder Siliziumkarbid abgeschieden wird, zum Einsatz. Wegen der großen physikalischen und chemischen Unterschiede zwischen Substrat und Schicht entsteht jedoch zwangsläufig eine große Zahl von Kristallbaufehlern in der abgeschiedenen Schicht.

Obwohl die Dichte der Kristallbaufehler mehr als eine Milliarde pro Quadratzentimeter beträgt, funktionieren die Leuchtdioden. Bei den hocheffizienten Bauelementen, wie sie in der Leistungselektronik oder im Mobilfunk benötigt werden, können die Leistungsfähigkeit und die Zuverlässigkeit jedoch bereits bei mehr als tausend Defekten pro Quadratzentimeter in der aktiven Schicht erheblich nachlassen. Deshalb ist es notwendig, für solche Bauelemente die aktiven Schichten auf arteigenen, einkristallinen GaN-Substraten abzuscheiden.

Diese sind heute noch extrem teuer. Bezogen auf das Gewicht ist ein solches Substrat mit einem Durchmesser von 50 mm fast zehnmal teurer als Gold. Die Hauptursache dafür liegt darin, dass große GaN-Einkristalle bis heute nicht in ausreichenden Mengen verfügbar sind, da deren Herstellung schwierig ist.

Aufgrund des hohen Schmelzpunkts, der bei mehr als +2500 °C liegt, und wegen des hohen Dampfdrucks am Schmelzpunkt von mehr als 100 000 bar kann GaN nicht einfach mit der klassischen Schmelzzüchtung hergestellt werden, wie sie beispielsweise die Freiberger Compound Materials einsetzt, um tonnenweise hochgradig perfekte Galliumarsenid-Einkristalle zu einem Zehntel des Goldpreises zu produzieren.

GaN-Einkristalle stellt man heute vorwiegend nach dem so genannten HVPE-Verfahren (Hydride Vapor Phase Epitaxy) her, das weltweit von einer Handvoll Firmen technologisch vorangetrieben wird. Bei dieser Methode reagiert zunächst gasförmiger Chlorwasserstoff mit flüssigem, etwa +880 °C heißem Gallium zu Galliumchlorid. In einer Reaktionszone wird das Galliumchlorid bei Temperaturen zwischen +1000 °C und +1100 °C in die Nähe eines GaN-Kristallkeims gebracht.

Unter Kontakt mit einströmendem Ammoniak verbindet sich das Galliumchlorid mit dem Ammoniak unter Freisetzung von Chlorwasserstoff zu kristallinem GaN. Unter optimalen Bedingungen lassen sich mit dem HVPE-Verfahren mittlerweile Kris-talle bis zu 50 mm Durchmesser und mit Dicken von einigen Millimetern herstellen. Schon seit einiger Zeit forschen Experten der Freiberger Compound Materials (FCM) und Wissenschaftler vom Fraunhofer THM sowie vom Fraunhofer IISB am HVPE-Verfahren und der Analyse des damit hergestellten Materials.

So ist es nach Angaben des Instituts gelungen, innerhalb kurzer Zeit Kristalle herzustellen, die bezüglich Kristallgröße, Materialeigenschaften und Herstellungsbedingungen vergleichbar sind mit dem GaN-Material von Wettbewerbern, die bereits seit über einem Jahrzehnt an dem Material forschen. Hauptproblem sind die hohen Herstellungskosten. Diese ergeben sich unter anderem dadurch, dass gegenwärtig nur ein geringer Teil der gasförmigen Ausgangsstoffe, also Galliumchlorid und Ammoniak, an der gewünschten Stelle zu GaN reagiert.

Genau hier wollen die FCM- und Fraunhofer-Forscher jetzt ansetzen. In einem gemeinsamen Projekt entwickeln sie das HVPE-Verfahren weiter, sodass eine effizientere Umsetzung der eingesetzten Materialien zu GaN erfolgt. Dadurch sollen die Herstellungskos-ten reduziert und die Kommerzialisierung von GaN vorangetrieben werden.

Das Verbundprojekt wird durch das Sächsische Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und des Freistaats Sachsen gefördert. Knapp drei Jahre haben die Kris-tallzüchtungsexperten nun Zeit, um im Rahmen des Verbundvorhabens die Materialeffizienz bei der HVPE-Züchtung von GaN so zu steigern, dass GaN langfristig billiger als Gold werden kann.