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IMEC und Applied Materials bereiten den Weg zu GaN-LEDs der nächsten Generation

GaN-Epi-Layer auf 200mm-Si-Substraten für LEDs

22. August 2011, 14:02 Uhr | Kai Cheng, Johan Dekoster (Imec), Sung Won Jun, Jose-Ignacio Del-Agua-Borniquel (Applied Materials)

Die verschiedenen Layer des GaN-basierten LED-Stacks.

Damit LEDs einen breiten Eingang in die allgemeine Beleuchtungstechnik finden, ist eine Kostenreduktion um den Faktor 4 bis 5 erforderlich. Wissenschaftler des IMEC haben dazu in Zusammenarbeit mit Applied Materials ein radikal neues, disruptives Verfahren entwickelt, das GaN auf 200-mm Silizium-Wafern verwendet.

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Die Übertragung der GaN-LED-Technologie auf einen GaN-on-200-mm-Si-Wafer-Prozess öffnet der LED-Industrie neue Wege, bringt andererseits aber auch wesentliche Herausforderungen. Eines der größten Probleme ist die thermische und kristalline Fehlanpassung zwischen Ga und Si. Das kompliziert das Aufwachsen von GaN-Epi-Layern auf Si-Substraten. Die Lösung heißt: innovative Techniken gegen Druckbelastungen und verbesserte Wachstumsbedingungen, neben fortschrittlichem Prozess-Equipment.

In den letzten Jahren haben LEDs auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) bewiesen, dass sie äußerst effektive Bauelemente sein können, vor allem wegen ihrer hohen Robustheit, langen Lebensdauer, geringem Energieverbrauch und schnellem Ansprechverhalten. Die LEDs bestehen aus GaN-Layern, die per Hetero-Epitaxie auf fremden Substraten aufgewachsen werden. Substrate aus Bulk-GaN sind für eine LED-Massenfertigung entschieden zu teuer. Die Pionierarbeiten liefen auf Saphir-Substraten - heute fertigt die LED-Industrie GaN-basierte LEDs überwiegend auf 50-mm- und 100-mm-Saphir-Substraten.

Die neuesten UV- und blauen LEDs auf 100-mm-Saphir-Substraten zeigen eine eindrucksvolle Performanz - mit interner Quanteneffizienz um 70 Prozent und optischen Wirkungsgraden von bis zu 85 Prozent. Allerdings sind noch einige Hürden zu nehmen, bevor LEDs mit etablierten Beleuchtungstechniken konkurrieren können. Degradation der Effizienz bei hoher Strominjektion, auch als efficiency droop bekannt, ist eine davon.

Ein Weg zur Kostensenkung ist die Steigerung der Produktivität der Fertigung durch Aufwachsen von GaN-Filmen auf Wafern mit größerem Durchmesser. Saphir-Wafer sind jetzt auch mit 150 mm verfügbar, doch ist ihre Oberflächenqualität noch nicht zufrieden stellend - und sie sind teuer. Si-Wafer aus der Chipherstellung sind eine sehr attraktive Alternative: Sie kosten weitaus weniger, durchlaufen strikte Qualitätskontrollen und sind 200 mm breit verfügbar.

Damit profitiert die GaN-LED-Herstellung vom Stand der Technik der CMOS-Fabs, mit voll automatischen Tools im 24/7-Betrieb, strikter Prozess- und Partikelkontrolle sowie mit etabliertem Hardware- und Prozess-Support. Nicht zu vergessen ist die örtliche Verfügbarkeit einer Metrologie und von beschleunigten Lebensdauer-Tests, die die Fertigung hoch zuverlässiger Komponenten ermöglichen. Somit lassen sich geringere Kosten durch Nutzung von Skaleneffekten und des Prozesswissens aus der Si-Waferfertigung erzielen.

Weitere Vorteile von Si-Substraten gegenüber Saphir-Wafern sind: höhere thermische Leitfähigkeit, geringere Defektdichte und geringere Dicke. Das vereinfacht wesentlich ihr Handling.

LEDs wurden bereits auf 100-mm Si-Wafern hergestellt und haben die Einsatzfähigkeit der Technologie demonstriert. Allerdings bereitet das Aufwachsen von GaN auf 200-mm Si mancherlei Probleme. Durch die thermische und kristalline Fehlanpassung zwischen GaN und Si entstehen während des Aufwachsens Spannungen im Film. Das resultiert in einer starken Biegung des Wafers. Dieser Effekt verstärkt sich bei größeren Wafern. Die Druckbelastung kann zu lokalen Leistungsvarianzen der LEDs eines Wafers führen, oder sogar zu Cracks und Delaminierung der epitaxialen GaN-Stacks.