Strukturierung von 100 mm Saphir-Substraten zur Erzeugung von semipolaren (11-22) GaN-Templates

Vom FBH wurde kürzlich ein Verfahren entwickelt, mit dem man semipolare (11-22)-GaN/Saphir Templates auf 100 mm Substraten erzeugen kann. Diese semipolaren GaN-Oberflächen können die Grundlage für die Herstellung lichtemittierender optoelektronischer Bauelemente (z.B. LEDs) sein. Während die Epitaxie nichtpolarer GaN-Schichten auf planaren Saphir-Substraten durch den Einbau ausgedehnter Kristalldefekte beeinträchtigt wird, ist die Verwendung strukturierter Saphir-Substrate vielversprechend. Insbesondere das Wachstum in c-Richtung auf den verkippten Seitenflächen streifenstrukturierter r-orientierter Saphirwafer verringert die Defekt-Entstehung und -Ausbreitung. Um diese GaN/Saphir-Templates zu erzeugen ist es zunächst notwendig, Grabenstrukturen in r-plane Saphir-Substrate zu ätzen. Das FBH hat eine Methode entwickelt, solche strukturierten Saphir-Substrate durch eine geschickte Kombination fotolithografischer und plasmaätztechnischer Verfahren herzustellen.

Saphir (Al₂O₃) ist ein sehr widerstandsfähiges und chemisch nur schwer ätzbares Material, was dessen Bearbeitung zu einer Herausforderung macht. Ein Trockenätzprozess mit einem induktiv gekoppelten Plasma (ICP) erzeugt neben einer großen Ionenenergie eine hohe Ionendichte, um eine geeignete Ätzgeschwindigkeit im Saphir zu erzielen. Da die r-plane Saphiroberfläche während der GaN-Epitaxie mit SiN_x abgedeckt sein muss, wurde SiN_x als Ätzmaske für die Saphirstrukturierung verwendet und der Prozess so gestaltet, dass am Ende der Strukturierung noch eine dünne SiN_x-Schicht auf dem r-Saphir verbleibt.       

Die eigentliche Herausforderung der Saphir-Strukturierung bestand in der Erzeugung der c-Facetten mit einem Winkel von ca. 58° zur Oberflächennormalen. Auf Grund der relativ hohen Gitterenergie des Al₂O₃ ist allein durch eine Optimierung der Plasmaätzbedingungen ein definierter Ätzflankenwinkel in der gewünschten Größenordnung nicht ohne weiteres realisierbar. Während bei Materialien mit geringer Bindungsenergie (z.B. Si oder GaAs) die Isotropie des Ätzprozesses und damit der Strukturwinkel über das Verhältnis von Ionendichte zu Radikaldichte beeinflusst werden kann, funktioniert das bei Materialien mit hoher Gitterenergie nicht, da deren Oberflächen durch Radikale kaum angegriffen werden. Diese Materialien sind trockenchemisch nur anisotrop ätzbar. Bei dem im FBH eingesetzten reaktiven Ionenätzen (RIE-Verfahren) treffen die Ionen senkrecht auf die Waferoberfläche, so dass geneigte Ätzflanken nur über Ätzmasken mit bereits geneigten Strukturflanken zu realisieren sind. Die Übertragung der Flankenwinkel von der Ätzmaske auf das Substrat wird dabei vom Verhältnis der Ätzgeschwindigkeiten (Ätzselektivität) beeinflusst.

Als Ätzmaske für die trockenchemische Strukturierung der  SiN_x-Schicht wurde der Positivfotolack SPR9555 verwendet. Dieser wurde mittels i-Line-Stepper belichtet, entwickelt und anschließend umgeschmolzen (Abb. 1). Durch Wahl der geeigneten Umschmelztemperatur und Umschmelzzeit konnte der Flankenwinkel der Lackstege in erforderlicher Weise eingestellt werden. Die Strukturübertragung vom Fotolack in die SiN_x-Schicht erfolgte in einem anisotropen ICP-Ätzprozess in SF₆/He mit einer Ätzrate von ca. 250 nm/min und einer Ätzselektivität von ca. 1, sodass der Flankenwinkel vom Fotolack 1:1 in das SiN_x übertragen werden konnte. Nach der Entfernung der unverbrauchten Lackmaske wurde die Struktur der SiN_x-Ätzmaske in einem weiteren anisotropen ICP-Ätzschritt mittels BCl₃­/Cl₂/He mit einer Ätzrate von ca. 100 nm/min in das Saphir-Substrat übertragen. Die Ätzselektivität zwischen dem SiN_x und dem Saphir hängt von den gewählten Ätzparametern (ICP-Leistung, bias-Leistung, Arbeitsdruck, Gaszusammensetzung) ab, so dass sich der im Saphir resultierende Flankenwinkel über das Ätzrezept steuern lässt. Alle Trockenätzprozesse wurden in Plasmaätzanlagen des Typs SI 500 ICP der Firma SENTECH GmbH durchgeführt.

Den Querschnitt einer Grabenstruktur mit c-orientierten Flanken zeigt Abb. 2. Die geätzten c-Facetten sind sehr glatt und frei von Rückständen. Zu erkennen ist auch die nach der Strukturierung noch vorhandene SiN_x-Passivierungsschicht auf den Stegen. Die so strukturierten 100 mm-Saphirwafer wurden am FBH epitaktisch überwachsen, so dass defektreduzierte GaN/Saphir-Templates mit semipolarer (11-22)-Orientierung  (Abb. 3) erfolgreich hergestellt werden konnten.

Projekt: ALIGHT, EU FP7-NMP

Publikation

F. Brunner, F. Edokam, U. Zeimer, W. John, D. Prasai, O. Krüger, M. Weyers, "Semi-polar (11-22)-GaN templates grown on 100 mm trench-patterned r-plane sapphire", phys. stat. sol. (b), vol. 252, no. 5, pp. 1189-1194 (2015).