C, O, Si Verunreinigungen in AlN – Einbringung während der Gasphasenzüchtung und Messung mittels SIMS und Absorption
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aluminiumnitrid (AlN) ist ein Halbleiterkristall mit breiter Bandlücke, der aufgrund seiner direkten UV-Bandlücke von 6,1 eV viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat und sich damit hervorragend für optoelektronische UV-Geräte eignet. Während sich das anfängliche Interesse an UV-Geräten auf die Wasserhygiene konzentrierte, machte die COVID-19-Pandemie einen breiteren Bedarf an einer wirksamen Desinfektion von Luft und Oberflächen im täglichen Leben deutlich. UV-Licht, insbesondere bei Wellenlängen unter 265 nm, ist in der Lage, molekulare Bindungen in Viren und Bakterien zu denaturieren und so eine Sterilisierung ohne den Einsatz schädlicher Chemikalien zu ermöglichen. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass tiefes UV-Licht (<230 nm) für die menschliche Haut unbedenklich ist, was die Tür zu vielseitigeren Anwendungen öffnet. Durch die Legierung von AlN mit Galliumnitrid (GaN) zur Herstellung von Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) können diese gewünschten Emissionswellenlängen erreicht werden. Ein entscheidender Engpass für die Leistung von UV-Bauelementen auf AlGaN-Basis ist jedoch die Wahl des Substrats, das beim Epitaxiewachstum verwendet wird. Einerseits wurden AlGaN-Bauelemente auf Saphir (Al₂O₃)-Substraten gezüchtet, die von industriellen Wafergrößen (>8 inch) und optischer Transparenz im UV profitieren. Die Gitterfehlanpassung zwischen Saphir und AlGaN führt jedoch zu einer hohen Dichte von Fadenversetzungen innerhalb der aktiven Schichten. Diese Versetzungen dienen als Zentren für die nicht-strahlende Rekombination und verringern so die Effizienz der Bauelemente. Andererseits passt AlN viel besser zu AlGaN, da es die gleiche Wurtzit-Kristallstruktur und eine eng aneinander liegende Gitterkonstante aufweist. Dadurch wird die Versetzungsdichte erheblich reduziert und die kristalline Qualität der epitaktischen Schichten verbessert. Einkristalline AlN-Substrate mit großem Durchmesser sind jedoch mit der derzeitigen Technologie nur schwer herzustellen. Außerdem weisen AlN-Wafer, die durch physikalischen Dampftransport (PVT) gezüchtet werden, aufgrund hoher Konzentrationen unbeabsichtigter Verunreinigungen oft eine starke UV-Absorption auf. Diese Absorption beeinträchtigt die Effizienz der Bauelemente, insbesondere bei Flip-Chip-LEDs, die das Licht durch das Substrat extrahieren. Diese Probleme schränken die breite Anwendung von PVT-gewachsenem AlN als brauchbares Substrat für Hochleistungs-UV-Bauelemente ein. Dieses Projekt zielt darauf ab, diese Einschränkungen zu beseitigen, indem es eine bessere Prozesskontrolle beim PVT-Wachstum ermöglicht, insbesondere in Bezug auf den Gehalt an Verunreinigungen und die Wafergröße/- qualität. Um dies zu erreichen, kalibriert die Studie die UV-Absorptionsspektroskopie - eine schnelle, zerstörungsfreie Technik - mit der Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS), die eine präzise Quantifizierung von Verunreinigungen ermöglicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Prediction of impurity concentrations in AlN single crystals by absorption at 230 nm using random forest regression. CrystEngComm, 27(2), 184-190.
Klump, Andrew; Hartmann, Carsten; Bickermann, Matthias & Straubinger, Thomas
