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News | 10-05-2021

Gallium-Oxid (010)-Substrate für die künftige Leistungselektronik

Kristallzüchtung, Wafering und Epitaxie am IKZ

Abb. 2: Geschnittene (links) und polierte (Mitte) Ga₂O₃-(010) Substrate; AFM-Aufnahmen von CMP-Oberflächen (rechts) mit (oben) und ohne (unten) Mikrokratzer.

Kristallines Galliumoxid ist ein vielversprechendes Substratmaterial für die Herstellung von Leistungselektronik-Bauelementen der nächsten Generation wie sie i.b. für die Energiewende benötigt werden. Bisher wurden am IKZ nach dem Czochralski-Verfahren (CZ) gezüchtete Galliumoxid-Kristalle ausschließlich für die Herstellung von Substraten mit (100)- und (001)-Orientierung verwendet, die entlang dieser Spaltungsebenen leicht getrennt und dann auch mit Off-Orientierung poliert werden können. Da CZ-Ga2O3-Kristalle entlang der (010)-Richtung wachsen und eine leicht elliptische Form haben, können Substrate mit einem Durchmesser von 2" effizient nur aus Kristallen parallel zur (010)-Ebene hergestellt werden. Um die Eignung von (010)-Substraten für die Epitaxie und die Bauelementeherstellung zu evaluieren, wurden am IKZ Kristalle mit einem Durchmesser von 20 mm gezüchtet und anschließend zu 5x5 mm² großen (010)-Substraten verarbeitet sowie erfolgreich mit Galliumoxid-Epitaxieschichten mittels MOCVD überwachsen. Die zentrale Herausforderung bestand darin, die Kristalle senkrecht zu den Spaltungsebenen ohne Risse zu schneiden und ohne Ausbrüche zu polieren. 

Das IKZ hat eine langjährige Erfahrungen in der Züchtung von Ga2O3-Einkristallen mit dem Czochralski-Verfahren sowie in der Herstellung homoepitaktischer Schichten, insbesondere auf Mg-dotierten (100)-orientierten Ga2O3-Substraten mit definierter Fehlorientierung, die in der Regel vom Berliner Industriepartner CrysTec GmbH aus IKZ-Kristallen hergestellt werden. Für diese Substrate wurden am IKZ epitaktische Wachstumsbedingungen für Stufenfluss entwickelt und u.a. Schichten mit weltweit führenden Mobilitätswerten von 153 cm-2 Vs-1 bei einer Ladungsträgerkonzentration von 1,4 x 1017 cm-3 demonstriert.

Abb. 1 zeigt schematisch die Präparation von 2"-Substraten aus einem typischen CZ-gewachsenen Kristall mit einer leicht elliptischen Form und einem Mindestdurchmesser von 2". Wafer mit (010)-Orientierung können mit vergleichsweise geringem Materialverlust präpariert werden, aber nur wenige Wafer mit (100)-Orientierung. Die Präparation von (010)-Substraten scheint daher auf den ersten Blick wirtschaftlicher zu sein. Entscheidend für die Wahl der Substratorientierung ist jedoch nicht nur der Substratpreis, sondern auch, ob sich auf den Substraten hochwertige Epitaxieschichten herstellen lassen bzw. welche Bauelementleistung erreicht werden kann. Auch hier ist das Rennen noch offen. Stufenfluss wurde bereits für epitaktische Schichten auf Substraten mit (100)-Orientierung demonstriert, aber obwohl Schichten auf (010)-Substraten typischerweise keinen Stufenfluss, sondern eine facettierte Oberfläche zeigen, lassen sich auch auf ihnen gute Schichteigenschaften realisieren. Zudem ist das Stufenflusswachstum auf (100)-Substraten nur in einem vergleichsweise kleinen Prozessfenster stabil.

Für die Herstellung von (010)-Substraten wurden Mg-dotierte Kristalle mit einem Durchmesser von ca. 20 mm und einer Länge von ca. 50 mm verwendet, die in (010)-Richtung mit der CZ-Methode am IKZ gewachsen wurden. Aufgrund der leichten Spaltbarkeit des Materials Galliumoxid entlang der (100)- und (001)-Ebenen kommt es beim Schneiden der Kristalle parallel zur (010)-Ebene mit Standardprozessen leicht zu Rissen entlang der Spaltungsebenen (Abb. 2 - oben links), die nur durch Einbetten der Kristalle und eine spezielle Sägetechnik vermieden werden konnten (Abb. 2 - unten links). Da die Substrate außerdem dazu neigen, beim Polieren Ausbrüche an den Kanten auszubilden (Abb. 2 - oben Mitte), wurden sie durch eine am IKZ entwickelte Einbettungstechnologie geschützt. Auf diese Weise konnten Substrate mit 5 mm und 10 mm Kantenlänge ohne Kantenausbrüche hergestellt werden (Abb. 2 - unten Mitte). Schließlich wurden am IKZ materialspezifische chemisch-mechanische Polierverfahren entwickelt und optimiert, um Oberflächen ohne Mikrokratzer zu erzeugen (Abb. 2 - rechts).

Auf die Galliumoxid-Substrate mit on-axis (010)-Orientierung wurden am IKZ homoepitaktisch ca. 300 nm dicke Galliumoxidschichten mittels MOCVD und Standardprozessbedingungen bei einer vergleichsweise hohen Wachstumsrate von ca. 820 nm/h aufgewachsen. Die Schichtoberfläche (Abb. 3 - links) zeigt eine facettierte Morphologie mit länglichen, entlang der 001-Richtung orientierten Strukturen, die vergleichbar ist mit Oberflächen, die sowohl am IKZ (Abb. 3 - rechts) als auch von anderen Forschergruppen auf kommerziell erhältlichen (010)-Substraten von Tamura Inc. gezeigt wurden.

Die Eigenschaften der aufgewachsenen Schichten werden nun im Detail untersucht, um anschließend die Bearbeitungs- und Epitaxieprozesse zu optimieren. Darüber hinaus soll der Einfluss der Substratfehlorientierung auf die Schichteigenschaften evaluiert werden.

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Leibniz-Wissenschaftscampus GraFOx durchgeführt und zum Teil durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter den Förderkennzeichen 03VP03712 und 16ES1084K sowie den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) der Europäischen Kommission unter dem Förderkennzeichen 1.8/15 gefördert.

 

Weitere Informationen:

Thomas Straubinger
Sektion Kristalle für Elektronik