Eine Flüssigmetall-Lichtbogen-Plasmaquelle für die Hochratenabscheidung von Halbleiterschichten mit großem Bandabstand

• Antragsteller: Professor Dr. André Anders; Dmitry Kalanov, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 562781822

Kathodische Lichtbogenplasmen sind dafür bekannt, dass sie hohe Ionenströme mit hoher kinetischer und potenzieller Energie liefern, was zu einer hohen Abscheidungsrate von dichten und haftenden Dünnschichten führt. Die kristalline Qualität der Schichten kann auch durch die Übertragung der Ionenenergie verbessert werden - insbesondere, wenn die Ionenenergien im Bereich zwischen 10 und 30 eV liegen. Bei der konventionellen Lichtbogenabscheidung mit einer Feststoffkathode kommt es jedoch zur Bildung so genannter „Makropartikel“ (Mikrotröpfchen) und deren Einlagerung in die wachsende Schicht. Dies macht herkömmliche kathodische Lichtbogenplasmaquellen für das Wachstum von Halbleitermaterialien ungeeignet, die epitaktische Schichten von hoher kristalliner Qualität ohne Defekte erfordern. Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung, der Bau und die Erprobung einer neuartigen Flüssigmetall-Lichtbogen-Plasmaquelle für die Hochgeschwindigkeitsabscheidung kristalliner, hochqualitativer Galliumoxid-Dünnschichten mit breiter Bandlücke, die für die Halbleiterbauelemente geeignet sind. Um die Nachteile zu überwinden und die Vorteile der konventionellen Lichtbogenplasmabeschichtung zu nutzen, wird in diesem Projekt eine neue Plasmaquelle mit den folgenden Hauptaspekten entwickelt: (1) Eliminierung der Makroteilchen durch Verwendung von flüssigem Ga als Kathodenmaterial und ein Makroteilchen-Filtersystem bei mäßig erhöhter Temperatur. (2) Anstreben des gewünschten Bereichs der kinetischen Energien der Ga-Ionen zwischen 10 und 30 eV zur Förderung der Oberflächendiffusion bei gleichzeitiger Minimierung der Schädigung des Gitters der wachsenden Schicht. (3) Beibehaltung der hohen Abscheidungsrate, um eine geringe Verunreinigung durch das Restgas zu gewährleisten, was eine Voraussetzung für Halbleitermaterialien ist. Die vorgeschlagene Lichtbogenquelle kann als Werkzeug für künftige Forschungen zur energetischen Nicht-Gleichgewichtsabscheidung hochwertiger Halbleiter-Dünnschichtmaterialien aus verschiedenen Metallen mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Ga, Sn, In, Zn und deren Legierungen, verwendet werden. Darüber hinaus bietet die vorgeschlagene Lichtbogenquelle eine potenziell ökologisch nachhaltige und energieeffiziente Alternative zu bestehenden Hochrate-Abscheidungsmethoden wie der metallorganischen Gasphasenepitaxy (MOVPE) und der Halogenid-Gasphasenepitaxie (HPVE), da sie ohne gefährliche und kostspielige Ausgangsstoffe wie das pyrophore triethylgallium (TEGa, Ga(C2H5)3) als metallorganischer Ausgangsstoff auskommt.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung