Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Reaktive Sputterabscheidung von nitridischen Halbleiterschichten

Ziel des Projekts ist es, reaktive Sputterabscheideprozesse für die Herstellung von nitridischen Halbleiterschichten für Opto- und Leistungselektronik als auch für Solarenergiesysteme zu entwickeln. Obwohl Basisprozesse zur Verfügung stehen, sind diese für eine kommerzielle Verwertung noch nicht ausreichend untersucht. So sind die Depositionsraten noch gering und die plasmabedingte Schädigung der Schicht unverstanden. Für den Aufbau von Bauelementen sind Untersuchungen über die Dotierung der Schichten sowie die kontrollierte Abscheidung von ternären Schichten essentiell. Um ein besseres Verständnis dieser Prozesse und damit eine bessere Kontrolle zu erzielen, müssen die Auswirkungen der Plasmaerzeugung auf die Partikelenergien studiert werden. Hierfür sind Untersuchungen des Plasmas und des Beschichtungsprozesses mittels Plasma- und Schichtdiagnostik vorgesehen, um die Zusammenhänge zwischen Partikelenergie, sowohl zur Begünstigung des Schichtwachstums als auch der Schichtschädigung durch hochenergetische Teilchen, umfassend zu beleuchten. Von grundlegender Bedeutung könnte hierbei die Dosierung des Energieeintrags über gepulste Plasmen in Kombination mit einer hohen Plasmadichte sein. Die sehr kurzen Impulsdauern (< 500 µs) beim HIPIMS führen zu einer hohen Ionisation des Prozessgases und damit zu einer erhöhten Ionenunterstützung. Diese könnte der Schlüssel sein, um zu Wachstumsraten vergleichbar zu gängigen GaN-basierten Herstellungsverfahren wie der metallorganischen Gasphasenabscheidung (MOVPE) (ca. 2 µm/h) aufzuschließen. Für KMU ist das reaktive Sputtern von nitridischen Halbleitern eine kostengünstige Alternative zur MOVPE, da es geringere Anschaffungs- und laufende Kosten aufweist. Insbesondere für die Erschließung von neuen Geschäftsfeldern in den Bereichen Leistungselektronik als auch Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie kann die zu entwickelnde Sputtertechnolgie für nitridische Halbleiter die Materialbasis für innovative Produkte liefern.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurden reaktive Sputterprozesse für epitaktisches Wachstum von AlN und GaN auf Silizium entwickelt und untersucht. Dabei wurde die Messmethodik der in-situ Metrologie und der optischen Plasmaspektroskopie kombiniert. Es konnte gezeigt werden, dass mit dem Einstellen der Aluminium- Ammoniakanteil durch Plasma und Gasfluss eine sehr glatte Halbleiteroberfläche erzeugt werden kann. Dabei ist die kristallografische Qualität der Schicht gleichwertig mit MOVPE gewachsenen Schichten. Durch Vorstellung der Ergebnisse auf Fachtagungen sind bereits erste Firmen dabei, diese Ergebnisse in industriellen Anlagen zu reproduzieren. Die so hergestellten Wafer sollen dann als Templates für das MOVPE Wachstum verwendet werden.

GaN-Schichten wachsen ebenfalls mit glatten Oberflächen bei gleichzeitig guter Oberflächenmorphologie. Für das Wachstum auf AlN wurde zudem AlGaN Übergangsschichten hergestellt. Die über den gesamten Bereich einstellbare Komposition und die glatten Grenzflächen der Schichten zueinander ermöglichen eine Versetzungsreduktion in Wachstumsrichtung. Die erzielte Schichtqualität kann dabei schon für erste Bauelementstrukturen verwendet werden. Vor Allem das hoch-isolierende Verhalten ohne zusätzliche Dotierung ist sehr vielversprechend für Transistoranwendungen. Reaktive Magnetronsputterprozesse für halbleitende Nitridschichten wurden erfolgreich entwickelt. Zielparameter wie optische Bandlückenenergie (Eg=1,3 eV), kristallographische Eigenschaften (kubische Zn3N2-Phase) und gute elektrische Transporteigenschaften (niedrige Ladungsträgerdichten) wurden erreicht und sind vergleichbar mit Ergebnissen aus der internationalen Fachliteratur (Stand 2021/2022). Die Sputterprozesse für nitridische Schichten können über die Veränderung der Sputterleistung und auch über die Wahl der Plasmaanregungsfrequenz (DC, HF) eingestellt und optimiert werden. Halbleitende ZnSnN2-Schichten mit niedrigen Ladungsträgerdichten (5x1016 cm-3) sind photoaktiv.