Herstellung, Charakterisierung und Optimierung von Galliumnitrid-Hochleistungselektronik auf Siliziumcarbid Substraten

Partnerfirma: PVA CGS GmbH (Wettenberg)

Der Halbleiter SiC stellt das ideale Substratmaterial für GaN-basierte oder SiC-basierte Hochleistungselektronik dar, die beispielsweise für die Elektromobilität sowie für den Mobilfunkstandart G5 von extremer Wichtigkeit ist.

SiC-Substrate können durch Sublimationswachstum mittels Impfkristall, auch bekannt als physischer Gasphasentransport (engl. physical vapor transport, PVT), oder durch Hochtemperatur-Gasphasenepitaxie (high-temperature chemical vapor deposition, HT-CVD) hergestellt werden.

Das PVT-Verfahren entwickelt sich aktuell zur industriellen Standardmethode für das Wachstum von monokristallinem SiC. Herausforderungen bei der Herstellung von einkristallinen SiC Substraten sind die Polymorphie des Materialsystems und die Defektbildung wie die intrinsische Tendenz zur Ausbildung sogenannter Pinholes, Nano tubes oder extrinsische Effekte beim Kristallwachstum.

In diesem Teilprojekt soll das Wachstum von GaN-Schichten auf SiC-Substraten mittels Molekularstrahlepitaxie, Sputterns und Atomlagendeposition durchgeführt werden.

Die Korrelation zwischen den strukturellen Eigenschaften der SiC-Substrate und der GaN-Schichten soll ebenfalls analysiert werden, und schließlich sollen die hergestellten GaN-Schichten auf ihre Tauglichkeit für Hochleistungsbauelemente untersucht werden.

Das Hauptaugenmerk liegt auf der Qualitätsoptimierung der einzelnen Prozessschritte entlang der Kette vom Substrat zum Bauelement. Ein weiteres Augenmerk liegt auf einer schnellen Prozesskontrolle.

Das von der Firma PVA CGS zur Verfügung gestellte SiC-Substratmaterial unterschiedlicher Dotierung und struktureller Qualität erlaubt es, den Parameterraum bei den Untersuchungen der Korrelation der strukturellen Eigenschaften von SiC-Substrat und darauf deponierter GaN Schicht breit abzudecken. So kann eine entsprechende Materialdatenbank aufgebaut werden, welche die Basis für eine schnelle Prozesskontrolle bildet.

Diese Materialdatenbank kann beispielsweise in Kombination mit multivariaten Datenverarbeitungsmethoden für die in-Line-Prozesskontrolle eingesetzt werden. Die ihr zugrundeliegenden Daten beinhalten XRD-Diffraktogramme, ESR-Spektren, aber auch bei inhomogenen Substraten ortsaufgelöst gemessene Karten der Probenoberfläche mittels Raman-Mikroskopie, optischer Mikroskopie und Elektronenmikroskopie.

Dieses Teilprojekt wird in Zusammenarbeit zwischen der Firma PVA CGS und dem Innovationslabor begonnen. Die Forschungsarbeiten werden im Innovationslabor durchgeführt. Die Mitarbeiter/innen von PVA CGS werden direkt in das Projekt eingebunden. Die Firma PVA CGS wird umfangreiches Substratmaterial zur Verfügung stellen.

Informationen über das Piloprojekt: mail to Dr. Jörg Schörmann