Sputterepitaxie für die III-V Leistungselektronik

Magnetron-Sputter-Epitaxie (MSE, kurz Sputterepitaxie) ist eine zukunftsweisende Technologie für die Abscheidung von III-Nitrid-Halbleitern wie Aluminiumnitrid (AlN) und Galliumnitrid (GaN). III-Nitrid-Halbleiter dienen als Grundlage für zukünftige leistungsfähige elektronische Bauelemente in Anwendungen wie Leistungselektronik, Hochfrequenztechnik und Optoelektronik.
Die einzigartigen Eigenschaften von AlN und GaN sind hohe Elektronenmobilitäten, hohe Wärmeleitfähigkeiten, gute thermische und chemische Stabilitäten, sehr große Bandlücken und hohe elektrische Feldstärken. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Effizienz und Leistungsfähigkeit von leistungselektronischen Bauelementen wie HEMTs (High-Electron-Mobility Transistor), vertikalen Transistoren, Dioden und LEDs, da sie eine verbesserte Wärmeableitung, höhere Spannungsfestigkeit, schnellere Schaltgeschwindigkeiten, und höhere Quantenausbeuten ermöglichen.

Sputterepitaxie ist ein Prozess der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD), bei dem Atome von einer Target-Oberfläche abgetragen und kontrolliert auf einem Substrat abgeschieden werden. Diese Technik ermöglicht die präzise Herstellung von epitaktischen (kristallinen), halbleitenden Dünnschichten mit spezifischen elektrischen und optischen Eigenschaften, die für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind.

Sputterepitaxie ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Schichteigenschaften und erlaubt die Herstellung hochqualitativer, leistungsstarker elektronischer Bauelemente, wie sie für die wachsenden Anforderungen der Leistungselektronik und drahtlosen Kommunikation entscheidend sind.

Aktuelle Forschungen am Fraunhofer FEP konzentrieren sich auf die Kontrolle von Morphologie, Kristallqualität (Epitaxie) und Polarität in III-Nitrid-Schichten, insbesondere durch den Einsatz von Aluminium-Nukleationsschichten. Wichtige Erkenntnisse umfassen:

• Verbesserung der Kristallqualität: Röntgenbeugungsmessungen zeigen, dass die Verwendung von Al-Nukleationsschichten die Kristallqualität der AlN- und GaN-Schichten signifikant verbessert.
• Morphologie und Polarität: Nanoskalige strukturelle und chemische Untersuchungen mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) belegen, dass die Al-Nukleation die Polarität der AlN-Schichten beeinflusst. Dies ermöglicht die gezielte Herstellung von sowohl metallpolaren als auch N-polaren Schichten in makroskopischem Maßstab.
• Technologische Relevanz: Die Kontrolle der Schichtpolarität ist ein wichtiger technologischer Meilenstein für die Entwicklung von noch effizienteren elektronischen Bauelementen der nächsten Generation.

Am Fraunhofer FEP sollen künftig innovative Verfahren entwickelt werden, um die Effizienz und Qualität von Sputterprozessen und Heteroepitaktischen-Schichten weiter zu steigern und an die Bedürfnisse der Industrie anzupassen. Insbesondere soll Nitrid-Epitaxie auf Wafer-Durchmessern von bis zu 200 mm ermöglicht werden.

Die Sputterepitaxie erlaubt eine ressourcenschonendere und energieeffizientere Herstellung von Nitridhalbleitern im Vergleich zu herkömmlichen Methoden wie MOCVD (metallorganische chemische Gasphasenabscheidung) und trägt entscheidend zur Weiterentwicklung der III-Nitrid-Technologie bei. Sputterepitaxie eröffnet neue Perspektiven für die Anwendung von Nitridhalbleitern in der Leistungselektronik, insbesondere für Leistungskonverter, Leistungsverstärker, und optoelektronische Komponenten.