Einkristallines Aluminiumnitrid ist ein aussichtsreiches Substratmaterial für die Herstellung von ultravioletten Leuchtdioden (UV LEDs), die u. a. zur Desinfektion eingesetzt werden, ultravioletten Laserdioden (UV LDs), die u. a. für medizinische Metrologie-Anwendungen eingesetzt werden und Leistungselektronik Bauelementen der nächsten Generation. Wir stellen AlN-Substrate mit niedrigen Versetzungsdichten, hoher UV-Transparenz und hoher Oberflächengüte her, damit Projektpartner daraus neue Bauelemente entwickeln.

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, niedrige T-Gradienten).

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. Elektrisch leitfähige Substrate für die Herstellung von vertikalen Leistungselektronik Bauelementen sind bisher nicht verfügbar und das IKZ hat sich zum Ziel gesetzt die zugrundeliegenden physikalischen Vorgänge systematisch zu untersuchen, um im Erfolgsfall n-leitfähige Substrate technologisch zu realisieren.

Angebot: Aluminiumnitrid-Substrate

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Einkristallines Gallium-Oxid mit seiner großen Bandlücke (4.5 – 4.8 eV) und hohen Durchbruchfeldstärke (8 MV/cm) ist ein aussichtsreiches Substratmaterial für die Herstellung von effizienten leistungselektronischen Bauelementen der nächsten Generation. Wir stellen defektarme Gallium-Oxid-Substrate mit 2“ Durchmesser, verschiedenen Orientierungen und definierten Off-Cuts her damit Projektpartner daraus neue laterale (semi-isolierend) oder vertikale (leitfähig) Leistungselektronik-Bauelemente entwickeln.

Zentrales Ziel der Gruppe ist es reproduzierbare CZ-Kristallzüchtungsprozesse für die Herstellung von defektarmen semi-isolierenden (Mg:) und leitfähigen (Si:) Gallium-Oxid-Kristallen mit Durchmessern von mind. 2“ und Längen größer 50 mm zu entwickeln. Diese Entwicklung soll durch Grundlagenuntersuchungen zu strukturellen Defekten (Fremdkörner, Zwillingsumschläge, Versetzungen) zusammen mit der Abteilung Materialwissenschaften unterstützt werden. Parallel sollen in-house Bearbeitungsprozesse zur effizienten und kostengünstigen Fabrikation von 2“-Substraten entwickelt werden. Im Fokus steht dabei das Sägen der leicht spaltbaren Kristalle mit Off-Cut und die Herstellung der Substrat-Orientierungen 100-X° und 010-X°.

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:

• Konfektionierung von InP- und AlN-Einkristallen mit hoher kristalliner Perfektion und maßgeschneiderten Volumeneigenschaften (insb. Dotierung) zu dünnen Schichten oder Mikroplättchen mit atomar glatten Oberflächen und geringen Defektdichten als Vorbereitung für den Transfer.
• Optimierung der dazu notwendigen chemisch-mechanischen Polierprozesse (Oberflächen) und lithografischen Methoden (Mikrostrukturierung).
• Entwicklung von Methoden zur Charakterisierung der strukturellen, optischen und elektrischen Eigenschaften der dünnen Schichten und Mikroplättchen.
• Entwicklung von Transferprozessen zur Heterointegration von dünnen Schichten und Mikroplättchen auf Si-Substrate und andere Materialplattformen.
• Entwicklung von Bauelementdemonstratoren zusammen mit externen Projektpartnern.
• Untersuchung des Einflusses von Dotierung, Mikropräparation und Bonding auf die Kristalleigenschaften und Bauteilparameter.
• Anpassung und Optimierung der entwickelten Methoden auf weitere anwendungsrelevante Materialien.

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:

• Verlustarmes Sägen von Kristallen mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften, insbesondere von spröden Materialien.
• Exakte Orientierung von Kristallen bzw. Substraten.
• Realisierung einer hohen strukturellen Oberflächengüte durch optimale Polierprozesse.
• Realisierung einer hohen Oberflächenreinheit durch Vermeidung von Verunreinigungseintrag während der Bearbeitungsprozesse und geeignete Endreinigungsprozesse.