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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 3

Aufwachsen von Si-dotierten n-GaN-Layern

Das mit u-GaN-Layern gewonnene Prozesswissen wird nun auf Si-dotierte n-GaN-Layer angewendet. Der Si-Dotierungsgehalt wird durch Einstellung des Si2H6-Flusses während des GaN-Wachstums gesteuert. Während sich das Maß der Si-Dotierung auf die Kristallqualität als gering herausstellt, wird die Waferbiegung maßgeblich vom Si-Dotierungsniveau beeinflusst. Durch Erhöhen des Si-Dotierungsgehalts von 1 x 10 hoch 17 cm-3 auf 4,5 x 10 hoch 18 cm-3 ändert sich die Waferbiegung von +70 µm (Druck) auf -6 µm (Zug), wegen der stärkeren Relaxation der Drucklast.

Die elektrischen Eigenschaften werden durch Van-der-Pauw-Hall-Messungen bestimmt. Bei der höchsten Si-Dotierung erreicht die Elektronenmobilität mehr als 200 cm2/Vs, bei einer Elektronendichte von 4,5 x 10 hoch 18 cm-3. Dieses Ergebnis ist vergleichbar dem Wachstum von n-GaN auf Saphir. Das ist ein wesentlicher Beitrag zu den performativen Eigenschaften von Komponenten.

Wie gezeigt, ist es möglich, die Relaxation der Drucklast durch weitere AlGaN-Zwischenlayer zu vermeiden. Zusätzlich zur einfachen Al0.5GaN-Zwischenlayer-Struktur wurde auch eine dreifache Layerstruktur aus 400-nm Al0.75GaN / 400-nm Al0.5GaN / 400-nm Al0.25GaN eingesetzt, um die crackfreie Dicke des n-GaN-Layers weiter zu erhöhen. Das Wachstum eines ≥2,5-µm-n-GaN-Layers bei einem Si-Dotierungsniveau von 4,5 × 10 hoch 18/cm3 ist damit möglich. Die Kristallqualität des n-GaN verbessert sich auch durch dickere Schichten. Das beste erzielte Ergebnis zeigt einen TDD-Wert von 1,5 × 10 hoch 9/cm2.

Eine andere Versuchsreihe belegt die Notwendigkeit der weiteren GaN-Optimierung: Photolumineszenz-(PL-)Spektren zeigen eine starke gelbe Lumineszenz der bei 1050 °C gewachsenen n-GaN-Layer, hervorgerufen durch tiefe Traps im Buffer-Layer. Bei den Versuchen wurde deutlich, dass die Wachstumstemperatur der unteren u-GaN- und n-GaN-Layer dabei eine wesentliche Rolle spielt. Wenn man diese Layer bei leicht erhöhter Temperatur erzeugt, verbessert sich die Kristallqualität. Außerdem ist dann der gemessene Carbon-Background im n-GaN geringer als 1 × 10 hoch 17/cm3 - also auf gutem Weg in den akzeptablen Bereich. Damit verringert sich die gelbe Lumineszenz stark infolge der geringeren Defektdichte in n-GaN-Layern. Diese n-GaN Bufferlayer lassen sich anschließend als Vorlagen zum Aufbringen multipler Quantenwells (MQWs) und p-GaN verwenden.