Anwendungsgebiete und Züchtung von AlN
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Lehrstuhl Werkstoffe der Elektrotechnik Anwendungsgebiete und Züchtung von Aluminumnitrid (AlN)-Einkristallen Boris M. Epelbaum, Octavian Filip, Paul Heimann, Shunro Nagata*, Matthias Bickermann° und Albrecht Winnacker Department of Materials Science 6, University of Erlangen-Nürnberg, Martensstr. 7, 91058 Erlangen, Germany * Functional Materials Development Center, Research Laboratories, JFE Mineral Company, Ltd.,1, Niihama-cho, Chuou-ku, Chiba-shi, Chiba 260-0826, Japan ° email: [email protected], http://www6.ww.uni-erlangen.de/~bicki Wozu Aluminiumnitrid? Bedeutung für die UV-Optoelektronik Materialeigenschaften: Wurtzit P63mc a = 3,112 Å; c = 4,982 Å 3,23 g/cm³ e0 = 8,5; e¥= 4,6 ca. 2750 °C (bei 100 bar N2) ca. 1050°C 285 W/mK 11300 m/s 1,56 C/m² Kristallstruktur Gitterkonstante Dichte Dielektrizitätskonstante Schmelzpunkt Debyetemperatur Wärmeleitfähigkeit Geschwindigkeit akust. Wellen v33 Piezoelektrische Konstante e33 Properties of Advanced Semiconductors, ed. by Levinshtein, Rumyantsev and Shur (John Wiley & Sons, New York, 2001) Anwendungsgebiete: Kühlkörper (Keramik) Elektroakustische Filter (Dünnschichten) HEMT-Bauelemente (Dünnschichten) +s V z –s GaN AlN GaN y f0 = v/h 2h [0001] h n = 7×10 2DEG 13 cm –2 d AlN-Spiralkühler (Prototyp), Firma AnCeram, Bayreuth Elektroden, Piezoelektrische Schicht Silicon-on-Insulator (Dünnschichten) Halbleiterdioden/-laser Gruppe III-Nitride haben... – eine direkte Bandlücke – die Wurtzitstruktur – volle Mischbarkeit Als Mischsystem decken sie fast den gesamten Spektralbereich ab! AlN hat die größte direkte Bandlücke aller bekannten Halbleiter. a UV-Optoelektronik (Dünnschichten) UV-Optoelektronik mit AlGaN/AlN – UV-Lichtquelle ohne Hochspannung! (noch) keine AlN-Substrate verfügbar AlN(s) UV-Optoelektronik – hoher Al-Anteil im AlGaN – Vorteil für AlN-Substrate! T > 2350°C: beginnende Zersetzung Al(g) + ½ N2(g) Kondensation AlN(s) T < 2050°C: mangelnde Oberflächenmobilität, keine Abscheidung als Einkristall T = 2050...2300°C, DTQuelle–Keim < 50 K Pyrometer Kühlkanal AlN-Kristall Temperatur [°C] 2000 2800 2600 2400 2200 Oberer Heizer Partialdruck [mbar] Unterer Heizer Wolframtiegel AlN-Ausgangspulver 100 Bildung von Al(liq), Tiegel wird instabil 1 Al stoich N2 stoich 2% 10 % 340 nm 14 % 26 % 280 nm 41 % 55 % 265 nm 47 % 59 % 250 nm 57 % 67 % AlN-Homoepitaxie – niedrige Versetzungsdichte – Vorteil für AlN-Substrate! M. Asif Khan, Univ. of South Carolina, USA Vortrag ICNS6, Bremen 2005 3.5 4.0 4.5 Wafer ... Fremdsubstrat (z.B. Wolframplatte) AlN-Substrat AlN-Substrat T = 2150°C T = 2250°C 100 5.0 Al-polar N-polar 90 B. M. Epelbaum, M. Bickermann, A. Winnacker, J. Crystal Growth 275 (2005) e479–e484 reziproke Temperatur [10000/K] Züchtungsaufbau: – Widerstands- oder Induktionsheizer – Wolframtiegel/-heizer – Strahlungsschilde – Heizleistungen, Kühlkanal und Tiegelgeometrie bestimmen Temperaturfeld Kornauslese Þ Nicht zielführend. (Al+½N2)stoich AlN–N2 3.0 B. M. Epelbaum, M. Bickermann, A. Winnacker, Mater. Sci. Forum 457–460 (2004) 1537 365 nm – Starke Textur, nur geringe Kornauslese – maximal erzielter Korndurchmesser 5 mm Schmelze 0.1 Therm. Isolation Barriere Polykristalline AlN-Wafer, Ø 12,5 mm Al (g) über Al10 Quantentopf 1800 1000 kalt DT < 50 K warm x(Al) in AlGaN LED-Wellenlänge Versetzungsdichte bei AlN auf Saphir: > 109 cm–2 Versetzungsdichte bei AlN-Homoepitaxie: £ 106 cm–2 Züchtungsstrategien und -ergebnisse Physical Vapor Transport (PVT): Sublimation Problem Heteroepitaxie: – nichtstrahlende Rekombination und geringe Mobilität durch Versetzungen – Erhöhung der Quanteneffizienz von UV-Laser und -LEDs auf defektarmen AlN-Substraten Massenmarkt blaue/weiße LED – Volumen 2007: 1.8 Mrd. Dollar – 100% InGaN/GaN-Strukturen (380 – 420 nm Wellenlänge) – 92% auf Saphir, 8% auf SiC (noch) keine GaN-Substrate verfügbar Züchtung aus der Gasphase AlN zersetzt sich bei ca. 2400°C ohne vorher zu schmelzen. Züchtung aus der Gasphase! Warum sinkt die Quanteneffizienz so stark bei UV-Bauelementen? E Vin Vout H. Amano, Meijo Univ., Japan Vortrag IWN2006, Kyoto 2006 Anzahl der Körner [%] Facetten der WurtzitStruktur von AlN AlN / AlGaN / AlInN M. Bickermann, B. M. Epelbaum, A. Winnacker phys. stat. sol. (c) 2 [7] (2005) 2044–2048 80 70 60 50 40 30 20 10 0 --- gewachsen bei 2150°C --- --- gewachsen bei 2250°C --- Züchtung freistehender AlN-Kristalle AlN PVT-Reaktor @ WET zur Züchtung von 2"-Einkristallen cut cut Fragestellungen: – Materialkompatibilität – Massentransport – Temperaturfeld (Abscheidungsrate) – Keimvorgabe – Strukturelle Qualität – Verunreinigungen ... Spontane Nukleation und Wachstum einzelner AlN-Kristalle im isothermen Temperaturfeld AlN-Substrat AlN, 15 x 7 x 3 mm³ B. M. Epelbaum, C. Seitz, A. Magerl, M. Bickermann, A. Winnacker, J. Crystal Growth 265 (2004) 577–581 – Kristalle haben besonderen Habitus – sehr hohe kristalline Qualität – maximal erzielte Wafergröße 10 x 4 mm Þ Nicht zielführend. Temperaturabhängige Änderung des Wachstumsmodus während der Züchtung Stand der AlN-Züchtung B. M. Epelbaum, S. Nagata, M. Bickermann, P. Heimann, A. Winnacker, phys. stat. sol. (b) 244 [6] (2007) 1780–1783 Historie und aktueller Stand 1976 1999 2001 2002 Slack & MacNelly demonstrieren das PVT-Verfahren (Wolframtiegel) Leo Schowalter gründet CrystalIS Inc. Ziel: Herstellung von AlN-Kristallen Uni Erlangen (WW6) beginnt mit der Erforschung der AlN-Kristallzüchtung Erste Demonstratoren von HEMTs und UV-LEDs/LDs auf AlN-Substraten CrystalIS demonstriert 1”-Substrate CrystalIS demonstriert quasi-2”-Substrate; Hexatech, N-Crystals und Uni Erlangen zeigen AlN-Massivkristalle, ca. 8 weitere Gruppen/Firmen arbeiten an AlN NTT (Taniyasu) demonstriert 210nm-LED (auf Saphir, n- und p-Dotierung mit Si und Mg) Sechs Forschergruppen beherrschen 1"-AlN-Einkristalle, aber noch immer keine kommerzielle Verfügbarkeit. 2003 2006 2006 2008 Heteroepitaktischer Start – zur AlN-Homoepitaxie Mikroröhren im Substrat führen zu Kratern in der AlN-Schicht cut cut Fremdsubstrat, das epitakisches AlN-Wachstum erlaubt (z.B. SiC) AlN-Substrat AlN Kristallgröße und -entwicklung Entwicklung in Erlangen (WET) DFG-Projekt: Herstellung von AlN-Volumenkristallen als Substrate für das Wachstum defektarmer (Al,Ga)N MBE-Schichten – SiC ist bis zu Ø 75 mm verfügbar, aber – SiC zersetzt sich im Al-Dampf – Kristalldefekte und Risse in der AlN-Schicht – maximal erzielte Schichtdicke 3 mm (0001) {1012} Wachstum von Ø 25 mm AlN-Einkristallen auf AlNSubstraten Isotherm gewachsenes AlN (”Lely”) AlN, 15 x 7 x 3 mm³ Industrieprojekt mit JFE Mineral Company, Ltd., Japan AlN-Einkristalle 2001 2002 2003 2004 2005 SiC 100 µm {1011} {1010} polykristallines AlN Qualitätsverbesserung und Durchmessererweiterung 2006 2007 Zeitachse Þ Auf diesen “AlN-Templates”: Homoepitaktisches Wachstum von AlN! Weitere Optimierung notwendig: – Lunker und Risse – Durchmessererweiterung – Längere Kristalle – Reproduzierbarkeit – Strukturelle Qualität – Verunreinigungen und Defekte Längsschnitt des AlN-Einkristalls (2mm-Raster) 10 mm hoher AlN-Einkristall, Ø 25 mm gewachsen auf AlN-Template
