Hydrid-Gasphasenepitaxie von versetzungsarmen und freistehenden GaN-Schichten

Diese Arbeit beschreibt die Herstellung von versetzungsreduzierten und freistehenden GaN-Schichten auf der Basis der Selbstablösung von einem Fremdsubstrat. Die wesentlichen Teilaspekte dabei sind das Wachstum dicker GaN-Schichten mittels Hydridgasphasenepitaxie (HVPE), Maßnahmen zur Reduktion der Versetzungsdichte und die Ablösung der Epitaxieschicht vom Fremdsubstrat. Für das GaN-Wachstum stand ein horizontaler HVPE-Reaktor der Firma Aixtron zur Verfügung, der für die Abscheidung von dicken Schichten > 50 µm in der Ausgangskon?guration zunächst nur bedingt geeignet war, da aufgrund der Reaktorgeometrie starke parasitäre Abscheidung im gesamten Reaktorrohr beobachtet werden konnten. Auf der Basis von Simulationsrechnungen (in Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller) und eigenen Strömungsversuchen wurden änderungen der Reaktorgeometrie vorgenommen, die zu deutlich geringeren parasitären Abscheidungen und einer verbesserten Abscheidungshomogenität führten. Für den Schutz der Quarzteile im Substratbereich des Reaktors wurden Abdeckungen aus pyrolytischem Bornitrid (pBN) entwickelt, so dass insgesamt die Abscheidung von GaN-Schichten mit einer Dicke von mehreren hundert µm in diesem Reaktortyp möglich wurde. Umfangreiche Versuche zur Optimierung der Wachstumsbedingungen ermöglichten die Abscheidung von rissfreien GaN-Schichten bis zu einer Dicke von 20 µm auf GaN/Saphir-Startschichten, die mittels MOVPE (metallorganische Gasphasenepitaxie) in einem Mehrscheibenreaktor hergestellt wurden. Eine weitere Erhöhung der Schichtdicke führte allerdings zur Rissbildung in der GaN-Schicht und teilweise auch zum Bruch des Saphirsubstrats. Zur Reduktion der Versetzungsdichte wurde das Verfahren des Lateralen Epitaktischen überwachsens (ELOG) angewendet. Diese Maßnahme führte auch zu einer reduzierten Rissbildung und ermöglichte eine Schichtdicke bis ca. 50 µm. Durch den übergang von einer streifenförmigen Maskengeometrie hin zu einer isotropen Maskengeometrie mit hexagonal angeordneten öffnungen wurde die rissfreie Abscheidung von GaN-Schichten bis zu einer Dicke von 200 µm möglich. Aufgrund der tensilen Verspannung der ELOG-Schicht, die bei der Koaleszenz und während des Wachstums eingebaut wird, kam es allerdings bei noch dickeren Schichten zur Rissbildung und infolge der thermisch induzierten Verspannung beim Abkühlen zum Bruch des heteroepitaktischen Schichtpakets. Um der Rissbildung durch die tensile Schichtverspannung entgegen zu wirken, wurden Untersuchungen zu alternativen Maskenmaterialien untersucht. Diese sollten im Gegensatz zu den bisher verwendeten Materialien SiO2 und SiN x als Sollbruchstelle für die Ablösung der überwachsenen GaN-Schicht fungieren und durch die Ablösung zum Abbau der Grenz?ächenverspannung führen. Da die katalytische Wirkung von Wolfram und Titan auf das Wachstum von GaN aus der Literatur beIkannt ist, wurden Wolframsilizid (WSi), Wolframsilizidnitrid (WSiN) und Titannitrid (TiN) als mögliche Maskenmaterialien untersucht. Dabei ging WSiN als geeignetes Material hervor, da hiermit die Selbstablösung vollständiger und rissfreier GaN-Schichten mit Dicken zwischen 400 µm und 640 µm und einem Durchmesser von 50 mm demonstriert werden konnte. Allerdings wiesen diese Schichten nach der Ablösung eine starke konkave Restverkrümmung mit Krümmungsradien zwischen 25 cm und 70 cm auf, die einer Weiterverarbeitung (Politur, Bauelementepitaxie) entgegen steht. Im Zuge der Verbesserung von Ausbeute und Restverkrümmung wurde daher die Abhängigkeit der Restverkrümmung von den Wachstumsbedingungen und von verschiedenen hexagonalen Maskengeometrien mit unterschiedlichen GaN:WSiN-Flächenverhältnissen untersucht und deren Ein?uss auf die reproduzierbare Ablösung rissfreier Schichten ausgewertet. Ein eindeutiger Ein?uss der Maskengeometrie und der Wachstumsbedingungen auf die Reproduzierbarkeit und die Restverkrümmung der abgelösten Schichten ließ sich dabei allerdings nicht beobachten. Zur Verbesserung der