FBH-Forschung: 27.09.2012

Anpassung des Wachstumsprozesses zur Verbesserung der Materialqualität von Al0.45Ga0.55N

Querschnitt durch AlGaN-Schichten auf strukturiertem Saphir
Abb. 1 Querschnitt AlGaN-Schichten (a) Pfeil: kein Material auf der Steg-Oberseite gewachsen (b) AlN-Startschicht führt zu Wachstum auf Steg-Oberseite.
Querschnitt durch eine bei 400 hPa Totaldruck gewachsene AlGaN-Schicht
Abb. 2 Querschnitt AlGaN-Schicht, bei 400 hPa Totaldruck gewachsen.

Mittels Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE) ist es möglich, dicke Schichten aus AlN, GaN und AlxGa1-xN effizient mit hohen Wachstumsraten abzuscheiden. Solche Schichten aus AlN und GaN mit Dicken über 50 µm sind bereits kommerziell erhältlich und sind die Basis für Bauelemente wie beispielsweise UV-LEDs. Insbesondere für die Herstellung von effizienten UV-B LEDs mit Wellenlängen im Bereich von 280 – 320 nm wäre aber AlxGa1-xN im mittleren Kompositionsbereich (x≈0.5) eine ideale Grundlage. Solche ternären Schichten sind aber noch nicht verfügbar.  Ursache hierfür sind Morphologiestörungen wie polykristallines Wachstum und Inhomogenitäten im Al-Gehalt der mittels HVPE gewachsenen Schichten.

Am FBH wird zurzeit an der  Verbesserung der Schichtqualität von Al0.45Ga0.55N-Kristallen aus der HVPE geforscht. Dabei wird das Saphir-Substrat mit zueinander parallel verlaufenden Gräben strukturiert, um diese von den Oberseiten der Stege ausgehend lateral zu überwachsen (epitaxial lateral overgrowth, ELOG). Dies soll die Materialqualität verbessern und insbesondere die Bildung von Rissen verhindern. Wie Abb. 1a zeigt, tritt hierbei starkes polykristallines Wachstum von den Grabenwänden her auf. Auf der gestuften Oberfläche bilden sich Flächen heraus, auf denen bevorzugt  Ga-reiches Material angelagert wird. Dies führt zu Inhomogenitäten im Al-Gehalt der Al0.45Ga0.55N-Schicht. Um das Ziel einer geschlossenen, glatten Oberfläche durch Wachstum von der Oberseite der Stege zu erreichen, wurden Methoden untersucht, die die Diffusion der Ausgangsstoffe in die Gräben unterbinden sollen. Das Abscheiden einer ca. 500 nm dünnen AlN-Schicht zu Beginn des Wachstums unterstützt zwar das Wachstum auf den Stegen. Das von den Grabenwänden wachsende Material dominiert jedoch noch immer die Oberfläche (Abb. 1b). Die Beweglichkeit der Ausgangsstoffe auf dem Saphirsubstrat kann auch durch den Totaldruck im Reaktor während des Wachstums beeinflusst werden. Das Absenken des Totaldrucks von 800 hPa (Abb. 1b) auf 400 hPa (Abb. 2) bewirkt eine verminderte Diffusion der Ausgangsstoffe in die Gräben und führt zu einer glatten und geschlossenen Oberfläche. Das Wachstum einer derart geschlossenen Al0.45Ga0.55N-Schicht ermöglicht eine höhere Schichtdicke und damit die Herstellung von Substraten für LEDs mit Emission im UV-B-Bereich.

Publikation

S. Hagedorn, E. Richter, U. Zeimer, D. Prasai, W. John, M. Weyers: "HVPE of AlxGa1-xN layers on planar and trench patterned sapphire" J. Cryst. Growth, vol. 353, no. 1, pp. 129-133 (2012).