Messung der Wafertemperatur auf GaN/Saphir mit neuentwickeltem in-situ Sensor
Abb. 1: PL-Wellenlänge von InGaN-GaN-Mehrfach-Quantenfilmen auf GaN-Saphir-Templates mit unterschiedlichen dicken Spacern und damit unterschiedlicher Temperatur der Waferoberfläche. Die Farbcodierung liegt im Wellenlängenbereich von 390 nm (lila) bis 460 nm (dunkelrot).
Abb. 2: Abhängigkeit der ex-situ bestimmten PL-Wellenlänge von der in-situ gemessenen Wafertemperatur (rot). Die Temperatur des Tellers (pocket, schwarz) zeigt keine Korrelation mit der Wellenlänge.
Bei der Metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) von GaN-Schichten auf Saphir führen die Fehlanpassungen der Kristallgitter und der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat und aufwachsender Schicht zu einer Waferkrümmung. Saphir-Substrate größeren Durchmessers (z.B. 150 mm), die immer häufiger verwendet werden, können je nach Design der Schichtstrukturen während des Wachstumsprozesses bis zu einige 100 µm durchgebogen sein. Dies hat unter anderem Einfluss auf die Wafertemperatur während der Epitaxie, die mit herkömmlicher Infrarot-Pyrometrie aufgrund der Transparenz der Materialien nicht messbar ist. Inhomogenitäten der Wafertemperatur haben jedoch direkten Einfluss auf die Chip-Ausbeute von InGaN-basierten LED- und Laserstrukturen, da der In-Einbau eine starke Temperatur-Abhängigkeit zeigt.
Am FBH wurde in Zusammenarbeit mit dem Sensorhersteller LayTec ein weiterentwickelter Temperatursensor (Pyro 400) getestet. Dieser misst bei einer Wellenlänge von ca. 400 nm pyrometrisch die Wafertemperatur von (In,Ga)N-Schichten. Bei diesen Experimenten wurden InGaN/GaN-Quantenfilme auf Saphir-basierten GaN-Templates (100 mm Substratdurchmesser) gewachsen und in-situ sowohl die Temperatur der Waferoberfläche als auch die des Tellers, auf dem der Wafer liegt, gemessen. Zusätzliche Saphir-Spacer zwischen Wafer und Teller wurden eingesetzt, um die Temperaturdifferenz zwischen Teller und Wafer kontrolliert zu erhöhen (Abb. 1). Nach der Epitaxie wurde mithilfe der Photolumineszenz (PL) die Wellenlängen-Verteilung über den Wafer bestimmt. Im Ergebnis ist eine Erhöhung der PL-Wellenlänge um ca. 40 nm beim maximalen Abstand zwischen Substrat und Teller von 430 µm festzustellen. Während die gemessene Pockettemperatur kaum eine Änderung zeigt (Abb. 2), verringert sich die Wafertemperatur um bis zu 40 K mit zunehmender Spacerdicke. Die entsprechend niedrigere InGaN-Wachstumstemperatur führt zu einem erhöhten In-Einbau in den Quantenfilmen, was die Rotverschiebung der PL-Wellenlänge zur Folge hat. Die Korrelation zwischen Wellenlängenverschiebung und Temperatur der Waferoberfläche ergibt einen Wert von ca. 1,1 nm/K. Da die Temperaturdifferenz zwischen Teller und Waferoberfläche durch Faktoren wie die Dicke der Abscheidungen auf dem Substrathalter beeinflusst wird, ist die Kenntnis der Oberflächentemperatur des Wafers für eine präzise und reproduzierbare Wellenlängeneinstellung unverzichtbar.
Publikation
V. Hoffmann, A. Knauer, F. Brunner, S. Einfeldt, M. Weyers, G. Tränkle, K. Haberland, J.-T. Zettler, M. Kneissl "Uniformity of the wafer surface temperature during MOVPE growth of GaN-based laser diode structures on GaN and sapphire substrate", J. Cryst. Growth, vol. 315, no. 1, pp. 5-9 (2011).
FBH-Forschung: 19.06.2012