Praskající GaN

Dr. Jana Hartmann und Juliane Breitfelder (v.l.) im neu ausgestatteten Reinraum des Instituts für Halbleitertechnik. (Bildnachweis: Max Fuhrmann/TU Braunschweig) / Dr. Jana Hartmann und Juliane Breitfelder (vlevo) v nově vybavené čisté místnosti Ústavu polovodičové technologie. (Odkazy na obrázek: Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

Zatímco jedno zařízení leptá, toto PECVD nanáší nové polovodičové vrstvy na wafery institutu. (Obrázkový kredit: Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

Cesta k novým LED technologiím probíhá vrstvu po vrstvě a je doslova pálivá. Aby mohly na Institutu pro polovodičovou techniku vznikat například modré LED diody z galliumnitridu (GaN), je zapotřebí vysoce specializované vybavení v čisté místnosti. S dvěma novými zařízeními se nyní otevírají další cesty pro polovodičovou techniku, z nichž mají především prospěch svazy jako například excelentní cluster QuantumFrontiers a Quantum Valley Lower Saxony (QVLS). Za tím stojí několik let práce. Každý z těchto strojů má své specifické vlastnosti, které dokáže odhalit pouze elektronový mikroskop.

Samotná instalace dvou nových velkých zařízení – Oxford Plasma Pro 100 a Plasma Pro 80 – je nákladná. Nové plynové přípojky, regulátory tlaku, bezpečnostní technika a mnoho dalšího. Celkově s cenou za zařízení přijde na téměř milion eur, financováno clusterem QuantumFrontiers, DFG a Institutem pro polovodičovou techniku Technické univerzity Braunschweig. Ale co tato zařízení vůbec dělají? Nejlépe se na to zeptat Dr. Jany Hartmann. Jako vedoucí mladé skupiny koordinuje její práce na nových hvězdách v čisté místnosti institutu.

Dr. Jana Hartmann: „Plasma Pro 80 je zařízení pro ‚plazmově zesílenou chemickou depozici par‘, zkráceně PECVD. S ním nanášíme tenké polovodičové vrstvy na wafery, které jsou výrobními deskami pro čipy. Plasma Pro 100, používané pro ‚reaktivní iontové leptání indukčně vázaným plazmou‘, zkráceně RIE-ICP, je naopak zodpovědné za odstraňování materiálu z waferu přesně pomocí chlorových plynů. Kdo pracuje s čipy, potřebuje obě zařízení. V podstatě tak všechny projekty institutu profitují z nových zařízení.“

Vývoj čipů na jednom místě

V institutu se již dříve leptalo pomocí ICP, avšak s fluorovodíkovými plyny. Ty však chemicky neúčinkují na materiály jako galliumnitrid a aluminiumnitrid. Přitom právě tyto polovodičové sloučeniny jsou základem pro LED diody v centru výzkumných aktivit. „Doposud jsme vlastně špatně odhadovali, abychom mohli pracovat s nitridy. Místo vhodných chemických složek jsme používali násilí, abychom materiál odstranili. Výsledky byly proto plné defektů a nerovností,“ vysvětluje Dr. Hartmann. „S novým suchým leptacím strojem však dostáváme úplně hladké povrchy a boční stěny na waferech a můžeme je také mnohem hlouběji strukturovat. Dokonce i mnohem tvrdší aluminiumnitrid, které potřebujeme pro UV-LED, je nyní tvarovatelné. Dříve to končilo nejpozději u galliumnitridu.“

Zcela novým prvkem na institutu je však PECVD, která nanáší vrstvy oxidu křemičitého nebo nitridu křemičitého na wafery. Dříve museli vědci z institutu své wafery odnášet z čisté místnosti a posílat je někomu s takovým zařízením na nanášení vrstev. Kromě námahy se při tom wafery nevyhnutelně zanášely prachem a nečistotami. Nyní může vše zůstat v čisté místnosti.

Velká zařízení pro velké pokroky

Co to konkrétně znamená pro jeden projekt, ukazuje aktuální práce Julian Käsmanna. Jako doktorand vyrábí malé, takzvané Distributed Feedback Laser (lasery s rozloženou zpětnou vazbou). Tyto lasery mají v budoucnu číst ionty v kvantových počítačích, které právě vznikají v Quantum Valley Lower Saxony. K tomu se používají například jemné vrstvy oxidu křemičitého na waferech. Především však musí být velmi tenké, rovné struktury leptány hluboko do waferů. Každá nerovnost by mohla laser zčásti ochudit o jeho svítivost. Tento cíl je nyní vůbec možný jen díky novým zařízením.

Také aktivity v excelentním clusteru QuantumFrontiers profitují. Například vědci uspořádávají mikro- a nano-LEDy do mřížek, aby vyvinuli rychlé, strukturované osvětlení pro různé aplikace. Především pokud se v projektu SMILE mají galliumnitridové prvky dostat na CMOS čip, je třeba velmi husté kontakty. Nové suché leptací zařízení to právě umožňuje.

Cesta k nejlepšímu polovodičovému čistému prostředí

Pro velká zařízení jako ICP a PECVD neexistuje žádná univerzální uživatelská příručka. Přestože zařízení obecně dělají to, co mají, výsledky závisí od mnoha detailů (například délky vedení, složení plynu nebo odsávání). Proto vědci na institutu aktuálně zařízení nastavují krok za krokem a optimalizují procesy. „Protože je to na nanometrech, je třeba již elektronový mikroskop k ověření výsledků. Pokud chceme ještě kontrolovat například úhel sklonu leptaného povrchu, musíme vzorky dále řezat FIB. Naštěstí máme v LENA tolik špičkového vybavení!“ říká Dr. Jana Hartmann.

V budoucnu by měly následovat další investice. Dr. Jana Hartmann: „Právě sháníme nový elektronový paprskový evaporátor a zařízení pro chemicko-mechanické leštění (CMP). První nanáší kovy na wafery, druhé leští i ta nejtvrdší materiály, například safír. Kromě toho jsou v plánu další zařízení. Spolu s již existujícími epitaxními a procesními zařízeními nám ICP a PECVD otevírají nové cesty k výrobě optických součástek. Plánované doplňky výrazně zlepší kvalitu našich součástek, což je klíčové například pro lasery v kvantových počítačích.“