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Galliumnitrid-Halbleiter

Weniger Defekte in GaN-Kristallen

07. Januar 2021, 09:37 Uhr   |  Ralf Higgelke

Weniger Defekte in GaN-Kristallen
© National Institute for Materials Science (NIMS)

Bild 1: Schematische Darstellung der GaN-Kristallzüchtung mit der FFC-LPE-Technik (Flux-Film-Coated Liquid Phase Epitaxy).

Üblicherweise werden GaN-Kristalle aus der Dampfphase per MOCVD abgeschieden. Doch die Defektdichte ist relativ hoch. Nun haben japanische Forscher des NIMS und der Tokyo Tech ein Verfahren entwickelt, das eine flüssige Mischung der Rohstoffe verwendet. Dadurch sinkt die Defektdichte signifikant.

Galliumnitrid (GaN) ist ein vielversprechendes Material für die Entwicklung von Leistungshalbleiter-Bauelementen der nächsten Generation. Am National Institute for Materials Science (NIMS) und der Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) haben Forscher ein Verfahren entwickelt, mit dem sich qualitativ hochwertige GaN-Kristalle züchten lassen, die deutlich weniger Kristalldefekte aufweisen als solche, die mit etablierten Verfahren gezüchtet werden.

Herkömmliche Verfahren zur Züchtung von GaN-Einkristallen, bei denen das Rohmaterial aus der Gasphase auf ein Substrat aufgebracht wird, einen grundlegenden Nachteil: Es entstehen relativ viele Kristalldefekte (einschließlich Versetzungen) im atomaren Maßstab. Wenn solche GaN-Kristalle in Leistungsbauelemente integriert werden, fließt ein Leckstrom durch die Bauelemente und kann diese beschädigen. Um dieses Problem anzugehen, wurde intensiv daran geforscht, zwei alternative Kristallsynthesetechniken zu entwickeln: die ammonothermische Methode und die Natriumflussmethode. Beide Methoden nutzen eine flüssige Lösung, die die Rohstoffe für das Wachstum der Kristalle enthält. Während sich die Natriumflussmethode als effektiv erwiesen hat, um Versetzungen zu minimieren, wurde ein neues Problem identifiziert: Ein wachsender Kristall enthält Einschlüsse (Klumpen von Bestandteilen der Lösung).

In einem neuen Projekt haben die Forscher des NIMS und der Tokyo Tech einen GaN-Kristall gezüchtet, indem sie das Substrat mit einer flüssigen Mischung aus den Rohstoffen für das Kristallwachstum (Gallium und Natrium) beschichtet haben. Dies verhindert, dass sich im wachsenden Kristall Einschlüsse einlagern. Darüber hinaus zeigte sich, dass diese Technik die Bildung von Versetzungen signifikant reduziert. Das Ergebnis ist die Synthese von qualitativ hochwertigen Kristallen. Durch dieses Verfahren lässt sich ein hochwertiges GaN-Substrat in einem sehr einfachen Prozess innerhalb von etwa einer Stunde herstellen.

Das von den Forschern entwickelte Verfahren könnte eine neue Methode zur Herstellung hochwertiger GaN-Substrate für den Einsatz in Leistungshalbleitern der nächsten Generation darstellen. Derzeit verifizieren die Wissenschaftler die Wirksamkeit des Verfahrens, indem sie kleine Kristalle züchten. In zukünftigen Studien wollen die Forscher es zu einem praxisgerechten Verfahren weiterentwickeln, mit dem sich auch größere Kristalle züchten lassen.

Dieses Projekt wurde von Fumio Kawamura (Principal Researcher, High Pressure Group, Research Center for Functional Materials (RCFM), NIMS), Yelim Song (Junior Researcher, Optical Single Crystals Group, RCFM, NIMS) und Naoki Ohashi (Direktor des RCFM, NIMS; außerdem Professor am Materials Research Center for Element Strategy, Tokyo Institute of Technology) geleitet.

Originalpublikation

Y. Song, et al.; High‐Quality GaN Crystal Growth Using Flux‐Film‐Coated LPE with Na Flux; Crystal Research and Technology 2020, 55, 2000042. https://doi.org/10.1002/crat.202000042

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