Heteroepitaxial Growth of GaN on Diamond Substrates with High Thermal Conductivity
Final Report Abstract
Die Motivation für dieses Projekt war die Leistungsdichte von modernen AlGaN- Transistoren, die beispielsweise in der Mobilfunktechnik Verwendung finden, weiter zu erhöhen. Momentan ist die Leistungsdichte durch den unzureichenden Abtransport der Verlustleistung aus den Transistoren durch die Silizium- Substrate begrenzt. Daher bestand das Ziel dieses Projektes darin die Silizium-Substrate durch Diamanten zu ersetzen, da Diamanten die höchste Wärmeleitfähigkeit aller kommerziell verfügbaren Materialien haben. Da auch einkristalline industrielle Diamanten verglichen mit Silizium-Wafern hohe Kosten bei der Herstellung der Transistoren verursachen würden, bestand die Idee einkristalline AlGaN-Schichten auf polykristallinen Diamant-Scheiben abzuscheiden. In Ermangelung geeigneter Diamant-Scheiben für das Wachstum der AlGaN-Schichten wurde dieser Ansatz aber frühzeitig verworfen. Stattdessen wurde die Abscheidung auf kostengünstige Diamant-Einkristalle untersucht, die bereits in Größen bis zu 20 mm × 20 mm vertrieben werden. Durch Optimierung der Wachstumsparameter konnten einkristalline AlN-Keimschichten auf den Diamant-Substraten abgeschieden werden. Allerdings war es nicht möglich die Bildung der AlN-Keime so zu beeinflussen, dass sich geschlossene Keimschichten der angestrebten Dicke gebildet haben. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass das Wachstum der Keimschicht bei möglichst hohen Temperaturn erfolgen muss. Eine Verringerung der Wachstumstemperatur, um die Keimdichte zu erhöhen, führt zu einer drastischen Verschlechterung der Qualität der Keimschichten. Obwohl die Keimschichten nicht geschlossen waren, konnten sie mit GaN überwachsen werden. Die entstandenen GaN-Schichten waren auch nicht geschlossen hatten aber überraschenderweise eine ähnlich gute kristalline Qualität wie Schichten, die auf Silizium aufgewachsen werden. Die Verwendung von dünnen AlN-Keimschichten resultierte in Wachstum von GaN-Schichten, die lokal eine Stufen-Terrassen-Struktur mit atomaren Stufen bilden. Dies ist ein sehr vielversprechendes Ergebnis, das zeigt, dass die Verwendung von Diamanten als Substrate für AlGaN-Transistoren technisch umsetzbar sein könnte. Zusätzliche Vorversuche auf Silizium-Wafern haben auch gezeigt, dass es potenziell möglich sein sollte auch die Transistor-Struktur zu vereinfachen, um die Wärmeabfuhr weiter zu erhöhen.
