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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)

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

GaN-basierte LED-Stacks und AlN-Keimschicht

GaN-basierte LED-Stacks

Der angestrebte Layer-Stack, mit Deposition auf einem Si-(111-)Substrat, beseht aus AlN-Template, AlGaN-Zwischenlayern, undotiertem GaN-Layer, n-leitendem GaN-Layer, multiplen InGaN/GaN Quantenwells (MQWs) und einem abschließenden p-leitenden GaN-Layer. Die bevorzugte Wachstumstechnik für die Nitride ist die metallorganische chemische Gasphasen-Deposition (MOCVD), als bewährte Methode der Massenfertigung.

Die resultierenden Eigenschaften der Komponenten, die Uniformität der Wellenlänge und die Ausbeuten sind stark mit der Funktionsweise der MOCVD-Prozesskammern korreliert. Die hier gezeigten Ergebnisse wurden mit einem bei Applied Materials entwickelten Cluster-Tool erzielt. Der Vorteil der Cluster-Tool-Konfiguration besteht in spezifischen Kammern für Prozessschritte, bei denen Störeffekte wie wechselseitige Kontaminierungen die performativen Eigenschaften von LED-Komponenten degradieren können. In den IMEC MOCVD-Prozesskammern lagen die Temperaturen im Bereich von 400 °C bis 1150 °C, der Druck variierte zwischen 15 und 300 torr.

AlN-Keimschicht

Der erste Layer, der direkt auf dem Si-Substrat entsteht, ist eine AlN-Keimschicht (Nucleation Layer). Dieser Layer ist erforderlich wegen der schlechten Wetting-Eigenschaften von GaN auf Si, und aufgrund von Rückschmelzeffekten in der Oberfläche, mit Kraterbildung infolge des korrosiven Verhaltens von Ga auf Si. Deshalb ist die Optimierung des AlN-Wachstumsprozesses für ausgezeichnete Qualität und Wiederholgenauigkeit des AlN-Layers eine grundlegende Bedingung für hoch qualitative GaN-Layer. Die Prozesskammer wird zwischen den einzelnen AlN-Layer-Prozessen einer örtlichen Reinigung unterzogen.

Eine gründliche Untersuchung der Wachstumsbedingungen - das Verhältnis der Precursor-Materialien Trimethyl-Aluminium (für Al) und Ammoniak (für N), sowie Druck und Temperatur - resultierte in der besten bisher bekannten Methode und Anleitung für AlN-Wachstum: hohe Temperatur bei niedrigem Druck und geringem Ammoniak-(NH3-)Fluss. Mit diesem Rezept ergeben sich AlN-Layer guter kristalliner Qualität (gemessen als rocking curve hoch auflösender Röntgendiffraktion (HR-XRD)) und guter Oberflächen-Morphologie. Letztere wurde per AFM (Atomic Force Microscopy) bestätigt, wobei die erzielten Ergebnisse zu den besten bisher in der Literatur erwähnten Werten zählen.

Neben dem Einfluss dieser Wachstumsparameter zeigte sich, dass die angemessene Vorbereitung der MOCVD-Prozesskammer von entscheidender Bedeutung ist. Mit präventiver Kammerwartung verbessern sich die AlN-Kristallqualität und die Oberflächenrauheit der Wafer nach einer gewissen Zahl von Durchläufen. Erste Experimente deuten außerdem auf einen positiven Effekt der örtlichen Kammer-Reinigung als Teil dieses Optimierungsprozesses hin.