Ziel der Sektion Kristalline Materialien für Elektronik ist es, aus Halbleiterkristallen mit vielversprechenden Volumeneigenschaften Kleinserien von Prototyp-Substraten mit maßgeschneiderten Spezifikationen zu fertigen und diese Forschungspartnern zur Verfügung zu stellen, um dort Innovationen bei Epitaxie- und Bauelemente-Herstellungsprozessen bzw. neue Anwendungen zu ermöglichen. Dazu müssen nicht nur Kristallzüchtungs- und Bearbeitungsprozesse mit Blick auf die Technologiefähigkeit optimiert, sondern auch standardisierte und effiziente Charakterisierungsmethoden materialspezifisch entwickelt werden.
Einkristallines Aluminiumnitrid ist ein aussichtsreiches Substratmaterial für die Herstellung von ultravioletten Leuchtdioden (UV LEDs), die u. a. zur Desinfektion eingesetzt werden. Wir stellen AlN-Substrate mit niedrigen Versetzungsdichten, hoher UV-Transparenz und hoher Oberflächengüte her, damit Projektpartner daraus neue Bauelemente entwickeln. Die entwickelten Prozesse und Technologien sollen später für weitere anwendungsrelevante Materialien angepasst und optimiert werden.
Darüber hinaus betreibt die Sektion die Support Labs "Chemische Metrologie" sowie "Kristallbearbeitung".
Aluminiumnitrid (AlN) Kristalle werden über physikalischen Gasphasentransport (PVT) in Tiegeln aus TaC oder W gezüchtet und müssen unabhängig von der geplanten Anwendung niedrige Versetzungsdichten und relevante Durchmesser (1“) aufweisen. Voraussetzung für die Herstellung von AlN-Kristallen mit hoher kristalliner Qualität sind neben der Verfügbarkeit von defektarmen Keimen die Vermeidung von Verunreinigungsausscheidungen beim Aufheizen und ein optimales T-Feld Design (z. B. hohes T).
Die Durchmesservergrößerung erfolgt durch eine schrittweise Keimvergrößerung in mehreren aufeinanderfolgenden Züchtungen bei Unterdrückung des parasitären Wachstums und langsamem lateralen Wachstum mittels geeigneter lateraler T-Gradienten. Für die Anwendung als Substrat für UV Emitter wird eine ausreichende Transparenz im angestrebten Wellenlängenbereich benötigt, die durch gezielte Beeinflussung der Konzentrationen der Hauptverunreinigungen O, C und Si beliebig eingestellt werden kann.
Carsten Hartmann, Lucinda Matiwe, Jürgen Wollweber, Ivan Gamov, Klaus Irmscher, Matthias Bickermann, Thomas Straubinger
Favourable growth conditions for the preparation of bulk AlN single crystals by PVT
CrystEngComm
DOI: 10.1039/c9ce01952a
Carsten Hartmann, Jürgen Wollweber, Sakari Sintonen, Andrea Dittmar, Lutz Kirste, Sandro Kollowa, Klaus Irmscher, Matthias Bickermann
Preparation of deep UV transparent AlN substrates with high structural perfection for optoelectronic devices
CrystEngComm
DOI: 10.1039/c6ce00622a
Andrea Dittmar, Jürgen Wollweber, Martin Schmidbauer, Detlef Klimm, Carsten Hartmann, Matthias Bickermann,
Physical vapor transport growth of bulk Al1−xScxN single crystals
Journal of Crystal Growth
DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.07.022
Am IKZ soll eine technologiefähige Bearbeitungslinie zur flexiblen Bearbeitung und Charakterisierung von Halbleitersubstraten mit Durchmessern bis 2“ aufgebaut werden. Aktuell können am IKZ bereits Demonstrator-Substrate (z. B. Aluminiumnitrid) mit kleinen Durchmessern und hoher Qualität hergestellt werden. Für die Herstellung von Prototypen und Kleinserien muss der Bearbeitungsaufwand reduziert und die Prozessreproduzierbarkeit erhöht werden.
Zentrale technische bzw. wissenschaftliche Herausforderungen bei der Herstellung von Halbleitersubstraten sind:
Halbleiterkristalle der Gruppe III-V (z.B. InP, AlN) sind Substratmaterialien der Zukunft für mikroelektronische, photonische und opto-mechanische Bauteile, die Anwendung u.a. in den Bereichen Mobilfunk, Sensorik, Medizintechnik und Automotive finden. Ihre Integration in ausgereifte Si- oder Saphir-basierte Technologieplattformen hat das Potential kostengünstige Halbleiterbauelemente mit überlegenen Eigenschaften zu realisieren.
Um diese grundlegend neue und zukunftsweisende Bauelementgeneration zu ermöglichen, wollen wir für am IKZ gezüchtete III-V Volumenkristalle Konfektionierungs- und Transferprozesse zur Integration auf Si- und andere Zielsubstrate entwickeln. Unsere Aktivitäten erfolgen in enger Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen der Volumenkristallzüchtung (VGF-III-V, Aluminiumnitrid Kristallzüchtung), der Substratherstellung, dem IKZ-IRIS Joint Lab „Layer Transfer“ und Partnern mit Schwerpunkt Bauelemententwicklung.
Die F&E Aktivitäten beinhalten:
Eine wichtige Voraussetzung für die sichere Beurteilung von Versuchsergebnissen bei der Kristallzüchtung ist die regelmäßige Messung der chemischen Zusammensetzungen und Verunreinigungskonzentrationen von Ausgangsstoffen und Kristallen, sowie die Messung von Oberflächenverunreinigungen auf Substratoberflächen. Deshalb werden am Institut vorhandene Methoden zur chemischen Analyse (z. B. ICP-OES, RFA) stetig weiterentwickelt und neue Methoden etabliert.
Der Fokus der Arbeiten liegt aktuell auf der Entwicklung von ICP-OES Aufschlussrezepten für am Institut hergestellte Oxid- und Fluorid-Kristalle. Technisch wissenschaftliche Herausforderungen dabei sind u. a. die Messung von Si-Verunreinigungen und die Vermeidung von HF-basierten Aufschlussverfahren. Mittelfristig sollen auch Verfahren zur Messung leichter Elemente (z. B. O, C, N) und metallischer Oberflächenverunreinigungen (z. B. Fe) am Institut etabliert werden.