Herstellung freistehender Galliumnitrid-Schichten (PDF)

Diese Arbeit befasst sich mit der Herstellung von freistehenden Galliumnitrid-Schichten mit Hilfe der Hydridgasphasenepitaxie (HVPE). Für die Steigerung der Qualität, Effizienz und Ausbeute bei der Herstellung moderner elektronischer und optoelektronischer Bauelemente aus GaN ist die Verfügbarkeit von defektarmen GaN-Schichten wichtig. Moderne Methoden zur Erzeugung defektarmer Schichten auf Fremdsubstraten stoßen an ihre Grenzen, die durch die große Fehlanpassung zwischen Fremdsubstrat und GaN gegeben sind. Ein Ausweg ist das Wachstum auf GaN-Substraten (Homoepitaxie). Deshalb sollen in dieser Arbeit mögliche Wege und Prozesse untersucht werden, um freistehende GaN-Substrate zu erzeugen.

Die HVPE-Wachstumsparameter und Anlageneigenschaften zur Erzeugung freistehender GaN-Substrate wurden sorgfältig optimiert. Für dicke Schichten ist es notwendig, eine hohe Wachstumsrate mit guter Materialqualität zu erzeugen. Entscheidend ist hierbei das Verhältnis zwischen Wasserstoff und Stickstoff, welches bei ca. 50% liegen sollte, um in der vorhanden Konfiguration der HVPE-Anlage rissfreies Wachstum zu ermöglichen. Speziell durch eine geeignete Wahl der Wachstumsparameter am Ende des Wachstumsprozesses und leicht fehlorientierte Startschichten konnte die raue Oberflächenstruktur von HVPE-Schichten verbessert werden. Die so optimierten Oberflächen sind vergleichbar mit glatten MOVPE-Schichten und benötigen keine weitere Oberflächenpolitur, um sie als Quasisubstrat für einen folgenden Epitaxieprozess einzusetzen. Durch die Optimierung der Prozessparameter war es möglich Schichtdicken von mehr als 1.4mm in einem Wachstumsexperiment auf einem 2-Zoll-Wafer zu realisieren.

Die in dieser Arbeit untersuchten und angesprochenen Methoden zur Herstellung freistehender GaN-Proben lassen sich grob in zwei Gruppen unterteilen. Zum einen sind dies Prozesse, die ex-situ Schritte benötigen und zum anderen Prozesse, die sich komplett in einer Anlage realisieren lassen. Ex-situ Prozesse sind die Laser-unterstütze-Ablösung von GaN-Schichten, sowie das Wachstum auf Silizium, welches sich in einer nasschemischen Ätzlösung leicht entfernen lässt. Ein weiterer Weg freistehende Proben mit einem ex-situ Prozesses zu realisieren, die Ablösung aber in-situ während des Abkühlens geschieht, ist das Wachstum auf lithographisch strukturierten dielektrischen Masken (ELO). Die so erzeugten, wenn auch 5x8mm kleinen und 600μm dicken Proben zeigten exzellente Materialeigenschaften. So konnte eine Ladungsträgerbeweglichkeit von 810 cm²/Vs mit einer Ladungsträgerdichte von 1.2x1016cm3 bei Raumtemperatur und eine Defektdichte von 3x106cm2 nachgewiesen werden. Die eleganteste Möglichkeit, freistehende GaN-Schichten zu erzeugen, ist, die Trennschicht zur Selbstseparation in einem Wachstumsrun mit der dicken GaN-Schicht zu realisieren. Hierzu wurde eine Tieftemperatur-Zwischenschicht abgeschieden, die zur Ablösung der dicken GaN-Schicht führt. SiN-Schichten können ebenfalls als Trennschicht dienen. Hierauf konnte die spontane Ablösung von bis zu 1.2mm dicken GaN-Schichten einer Größe von fast 2-Zoll beobachtet werden.