Geringere Versetzungsdichten – Saphir-Strukturierung für GaN/AlGaN-ELOG-Templates

Ultraviolette (UV) Leuchtdioden (LED) sind für verschiedene Anwendungen sehr attraktiv. Unter anderem haben sie das Potential, Quecksilberdampflampen zur UV-Wasserreinigung und UV-Polymerhärtung zu ersetzen. In den letzten Jahren rückte daher das epitaktische Wachstum von GaN/AlGaN zunehmend in den Fokus, da derartige Schichten für die Herstellung von UV-LEDs benötigt werden. Um die interne Quanteneffizienz der Lichtemitter zu verbessern, sind Epitaxieschichten mit reduzierter Versetzungsdichte erforderlich. Das laterale epitaktische Überwachsen (ELO) strukturierter Saphir-Substrate ermöglicht es, die Versetzungsdichte in GaN/AlGaN-Schichten zu minimieren.

Um derartige Effekte untersuchen zu können, werden geeignete Substrate (Templates) mit unterschiedlichem Design benötigt. Solche Templates auf Saphir (Al₂O₃) werden am FBH durch Fotolithografie und Plasmaätzen hergestellt. Saphir ist mechanisch und chemisch sehr widerstandsfähig – dies macht die Strukturierung zu einer Herausforderung. Als lithografisch strukturierbare Trockenätzmaske wird der Fotoresist KMPR in Kombination mit einer SiN_x-Opferschicht verwendet. KMPR zeichnet sich durch eine hohe Beständigkeit gegenüber Ätzplasmen aus und ist mit einem hohen Aspektverhältnis und nahezu vertikalen Seitenwänden strukturierbar. Die Belichtung des KMPR mit einem wabenförmigen Layout erfolgt mittels i-Line-Stepper-Lithografie.

Ein Trockenätzprozess mit einem induktiv gekoppelten Plasma kombiniert die großen Ionenenergien mit einer hohen Ionendichte. Beides ist notwendig, um Saphir mit einer hinreichend großen Ätzrate strukturieren zu können. Für das Ätzen von Metalloxiden, wie z.B. Al₂O₃, hat sich eine Mischung aus BCl₂ und Cl₂ mit einem Überschuss an BCl₃ bewährt. Da der KMPR nur begrenzt temperaturbeständig ist, kommt während des Ätzens eine Helium-Rückseitenkühlung zum Einsatz. Die Temperatur des Wafercarriers wird dabei ständig kontrolliert und konstant gehalten. Aufgrund der limitierten Schichtdicke des KMPR wurden die Ätzparameter im Hinblick auf eine ausreichend hohe Ätzselektivität zwischen der KMPR-Ätzmaske und dem Saphir optimiert. Mit dem am FBH entwickelten Ätzrezept konnten Wabenstrukturen in Saphir mit einer Tiefe von >4 µm hergestellt werden. Abb. 1 zeigt, dass die geätzte Oberfläche sehr glatt und frei von Rückständen ist. Nachdem die restliche Ätzmaske aus KMPR und SiN_x-Opferschicht nasschemisch entfernt wurde, sind die endgültigen Strukturen bereit für die Epitaxie. Die so strukturierten Saphir-Templates eignen sich nun ideal zum lateralen epitaktischen Überwachsen.

Publikation:

S. Hagedorn, E. Richter, U. Zeimer, D. Prasai, W. John, M. Weyers, "HVPE of Al_xGa_1-xN layers on planar and trench patterned sapphire", J. Cryst. Growth, vol. 353, no. 1, pp. 129-133 (2012).

FBH-Forschung: 08.04.2014