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Taiyo Nippon Sanso

Kostengünstig GaN-Substrate herstellen

06. Dezember 2019, 11:30 Uhr   |  Ralf Higgelke

Kostengünstig GaN-Substrate herstellen
© Taiyo Nippon Sanso

THVPE-Ofen, mit dem sich GaN-Substate züchten lassen.

Heute werden GaN-Halbleiter auf einem Siliziumsubstrat aufgewachsen. Doch schon seit langem besteht der Wunsch, Galliumnitrid auch als Substrat zu verwenden. Nun hat Taiyo Nippon Sanso ein Epitaxieverfahren namens THVPE vorgestellt, mit dem sich solche Substrate kostengünstig züchten lassen sollen.

Für die meisten GaN-Substrate kommt heute die Hydridgasphasenepitaxie (Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE) zum Einsatz. Dabei reagieren ein gasförmiges Metallchlorid und ein nichtmetallisches Hydridgas auf einem Impfkristall, um darauf einen Halbleiterkristall epitaktisch zu züchten. Im Vergleich zu anderen praxistauglichen Verfahren der Gasphasenabscheidung (MOCVD, MBE, etc.) bietet HVPE eine schnellere Wachstumsrate (100 Mikrometer pro Stunde) und weniger Verunreinigungen durch Kohlenstoff.

Da jedoch mehrere Kristallschichten nacheinander gezüchtet werden müssen, verformt sich der Kristall, und der Impfkristall muss für den Einsatz immer wieder mit einer Dicke von unter 1 mm abgezogen werden. Aus diesem Grund ließen sich GaN-Kristalle bislang nicht kostengünstig und qualitativ hochwertig herstellen. Dies gilt insbesondere für die damit verbundenen vor- und nachgelagerten Arbeitsschritte, wie z.B. die Reinigung des Ofens.

Tokyo University of Agriculture and Technology, Taiyo Nippon Sanso, Gallium Nitride
© Tokyo University of Agriculture and Technology, Taiyo Nippon Sanso

Bild1: Die Vorderseite des GaN-Substrats (links) ist transparent, ein Beweis dafür, dass keine Polykristalle an der Kante des Wafers entstanden sind. Die Rückseite des GaN-Wafers (rechts) ist glatt, sodass sich eine Leuchtröhre darin spiegelt.

Im Rahmen des Technologietransferprogramms NexTEP der Japan Science and Technology Agency (JST) hat Taiyo Nippon Sanso die HVPE-Methode in einer sechsjährigen Forschungsarbeit weiterentwickelt. Das THVPE-Verfahren (Tri-halide Vapor Phase Epitaxy) nutzt ein Galliumtrichlorid-Ammoniak-Reaktionssystem, das dreimal schneller ist als konventionelle Methoden, wobei nur die Versetzungsfehlerrate (Dislocation Defect Rate) nur etwa ein Fünftel der heutigen beträgt. Die neue THVPE-Methode bietet laut den Forschern auch viele Kostenvorteile gegenüber den bisherigen Techniken, beispielsweise keine Verschlechterung des Quarzglasrohres im Reaktor, keine Verminderung der Kristallwachstumsfläche und kein unnötiges Entstehen von Polykristallen.

Die Kristalleigenschaften und die Wachstumsrate variieren je nach Ausrichtung. Bei der HVPE-Methode beginnt ein bestimmter Punkt auf der Kristalloberfläche an, schneller zu wachsen, sodass eine turmartige Form entsteht. Im Gegensatz dazu verwendet das THVPE-Verfahren die N-polare Oberfläche für das Kristallwachstum gegenüber der Galliumoberfläche. Dadurch kehrt sich das Phänomen um, und die Wachstumsoberfläche nimmt nicht ab, auch wenn der Kristall aufwächst.

Lässt sich die THVPE-Technik weiterentwickeln, um die Herstellung dicker GaN-Kristalle zu erreichen, könnten sich GaN-Substrate durch Trennschleifen in großer Menge herstellen. Dieses neue Verfahren könnte einen Durchbruch in der Entwicklung kostengünstiger und leistungsstarker GaN-Bauelemente darstellen.

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