Herstellung und Charakterisierung von Volumenkristallen aus der Mischkristallreihe (AIN)x(SiC)1-x
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurden AlN-SiC-Mischkristalle unter unterschiedlichen Züchtungsbedingungen hergestellt und in Bezug auf chemische Zusammensetzung, strukturelle Qualität, optische Eigenschaften und elektrische Leitfähigkeit charakterisiert. Die Arbeit war darauf ausgelegt, den mit dem PVT-Verfahren und dem Tiegelmaterial zugänglichen Parameterraum möglichst umfassend zu nutzen, um Kristalle mit unterschiedlicher Zusammensetzung herzustellen. Dazu wurden mehr als 30 Volumenkristalle bei unterschiedlicher Züchtungstemperatur, off-Orientierung des Keimes, mit Einsatz von SiC als Keim, Zugabe von SiC oder Graphit zum AlN-Quellenmaterial usw. hergestellt und auch die Reproduzierbarkeit untersucht. Es konnten einphasige Volumeneinkristalle mit sehr hoher Materialqualität (Versetzungsdichte im Bereich 10^5 bis 10^6 cm–2) auf AlN-Basis mit einem Siliziumanteil zwischen 1 und 18 Atom-% hergestellt werden. Im Gegensatz zur Züchtung auf SiC-Keimen wurde bei Züchtung auf AlN-Keimen unter Zugabe von SiC zum AlN-Quellenmaterial ein nahezu konstanter Si/C-Einbau erreicht. Es ist gelungen, die Auswirkungen der unterschiedlichen Züchtungsparameter auf die strukturelle Qualität und die optischen Eigenschaften sehr ausführlich zu beschreiben und auszuwerten. Die chemische Analyse der Zusammensetzung der Kristalle entpuppte sich dagegen als echte Herausforderung: Trotz mehrerer unterschiedlicher Analysemethoden ergaben sich ungenaue und teilweise widersprechende Messwerte. Im Ergebnis konnte eine Zuordnung der Kristalleigenschaften zur chemischen Zusammensetzung nur qualitativ und unter Hinzuziehung von Modellannahmen erreicht werden. Zusammenfassend ergeben sich genügend Hinweise, dass sich die hergestellten Kristalle in ihren Eigenschaften als hoch co-dotiertes AlN auffassen lassen. Die unterschiedlichen optischen Eigenschaften sind dabei mit einer unterschiedlich starken Kompensation vorhandener Donatoren durch Kohlenstoff zu erklären, wohingegen Kristalle mit sehr unterschiedlichem Siliziumgehalt gleiche optische Eigenschaften aufweisen können. Ein weiteres Ergebnis der Untersuchungen ist, dass die optischen Eigenschaften der Kristalle – und damit auch die Kompensation mit Kohlenstoff – deutlich stärker variieren, wenn das Wachstum auf unterschiedlichen Kristallfacetten erfolgt, verglichen mit Änderungen der Züchtungstemperatur oder der Form und Höhe der SiC-Zugabe zum AlN-Quellenmaterial. Typische Anzeichen einer Mischkristallbildung (Änderung der Gitterkonstante und der Bandlücke) sind dagegen nur ansatzweise zu finden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass im Rahmen des Projekts erstmals erfolgreich die Möglichkeiten systematisch untersucht werden konnten, um ausgehend von der AlN-Kristallzüchtung AlN-SiC-Mischkristalle mit hohem AlN-Anteil herzustellen. Trotz der unbefriedigenden Aussagen zur chemischen Zusammensetzung deuten die Ergebnisse stark darauf hin, dass der Einbau von SiC generell nicht stoichiometrisch erfolgt und daher Mischkristalle der Reihe (AlN)x(SiC)1–x nicht mit dem hier verwendeten Züchtungsverfahren herstellbar sind. Zudem haben sich die Hoffnungen auf eine signifikante Verringerung der Bandlücke und eine ausgeprägte Leitfähigkeit der AlN-SiC-Mischkristalle nicht erfüllt. Die Ergebnisse aus dem Projekt zeigen deutlich, dass wesentliche Grundlagen zum Verständnis der Segregation und zum Fremdstoffeinbau bei der Hochtemperatur-Kristallzüchtung aus der Gasphase noch erarbeitet werden müssen. Weder die chemischen Reaktionen zwischen AlN und SiC bei Temperaturen oberhalb 2000°C noch die starke Variation des Einbaus von Silizium und Kohlenstoff mit der Kristallorientierung und -facettierung können bisher zufriedenstellend erklärt werden. Hier wäre mit weiteren Untersuchungen anzusetzen. Der im Projekt qualitativ nachgewiesene, stark unterschiedliche Einbau von Silizium und Kohlenstoff in unterschiedlichen Facetten gibt wertvolle Hinweise für künftige Arbeiten zur gezielten in-situ-Dotierung als auch zur Verringerung von Verunreinigungen in AlN-Volumenkristallen. Gerade für AlN ist die insitu-Dotierung noch kaum erforscht. Wenn der Kompensationsmechanismus, der durch die effektive Si-C-Kodotierung erfolgt, besser verstanden ist, kann die Zugabe von SiC als möglicher Weg zur Herstellung von semi-isolierenden (ggfs. auch von Si-dotierten) AlN-Substraten genutzt werden. Andererseits wird deutlich, dass die Herstellung von AlN- oder AlN-SiC-Volumenkristallen mit homogenen Verunreinigungskonzentrationen bzw. optischen Eigenschaften einer züchterischen Kontrolle oder Vermeidung der typischerweise stark ausgeprägten Facettierung bedarf.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Crystal Growth of Mixed AlN-SiC Bulk Crystals; J. Crystal Growth 312 (2010) 2522-2526
O. Filip, M. Bickermann, B.M. Epelbaum, P. Heimann, A. Winnacker
- Sublimation Growth of Bulk Crystals of AlN-Rich (AlN)x(SiC)1–x Solid Solutions; Phys. Status Solidi C 7 (2010) 1746-1748
M. Bickermann, B.M. Epelbaum, O. Filip, P. Heimann, A. Winnacker
- Growth of AlN bulk crystals on SiC seeds: Chemical analysis and crystal properties; J. Crystal Growth 339 (2012) 13-21
M. Bickermann, O. Filip, B.M. Epelbaum, P. Heimann, M. Feneberg, B. Neuschl, K. Thonke, E. Wedler, A. Winnacker
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2011.11.043)
