Rompiendo GaN

La Dra. Jana Hartmann y Juliane Breitfelder (de izquierda a derecha) en la sala limpia recién equipada del Instituto de Tecnología de Semiconductores. (Créditos de la imagen: Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

Mientras una de las instalaciones está grabando, esta unidad PECVD está depositando nuevas capas semiconductoras en las obleas del instituto. (Créditos de la imagen: Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

El camino hacia nuevas tecnologías LED se realiza capa por capa y es literalmente corrosivo. Para que en el Instituto de Tecnología de Semiconductores puedan crearse, por ejemplo, LEDs azules de nitruro de galio (GaN), se requiere equipo de sala limpia altamente especializado. Con dos nuevos dispositivos, ahora se abren más caminos para la tecnología de semiconductores, de los cuales se benefician especialmente asociaciones como el clúster de excelencia QuantumFrontiers y el Quantum Valley Lower Saxony (QVLS). Detrás de esto hay varios años de trabajo. Después de todo, cada una de las máquinas tiene sus particularidades, que solo un microscopio electrónico puede descubrir.

Solo la instalación de los dos nuevos grandes equipos – Oxford Plasma Pro 100 y Plasma Pro 80 – es costosa. Nuevas conexiones de gas, reductores de presión, tecnología de seguridad y mucho más. Sumando el precio de los dispositivos, se alcanza casi un millón de euros, financiados por el clúster QuantumFrontiers, la DFG y el Instituto de Tecnología de Semiconductores de la TU Braunschweig. Pero, ¿qué hacen exactamente estos dispositivos? La mejor persona para preguntar es la Dra. Jana Hartmann. Como líder de un grupo de jóvenes investigadores, ella coordina el trabajo en las nuevas estrellas en la sala limpia del instituto.

Dr. Jana Hartmann: “El Plasma Pro 80 es una deposición de vapor químico asistida por plasma, en abreviatura PECVD. Con ella, aplicamos capas delgadas de semiconductores sobre obleas, la placa de fabricación para chips. El Plasma Pro 100, utilizado para grabado reactivo por plasma inductivamente acoplado, o RIE-ICP, es responsable de lo contrario en la oblea: elimina material de manera específica con gases de cloro. Quien trabaja con chips necesita ambos. En realidad, todos los proyectos del instituto se benefician de los nuevos dispositivos.”

Desarrollo de chips en un solo lugar

El instituto ya había realizado grabados anteriormente con un equipo ICP, pero con gases de flúor. Sin embargo, estos no atacan químicamente materiales como el nitruro de galio ni el nitruro de aluminio. Precisamente estas conexiones de semiconductores son las materias primas para los LEDs en el centro de las actividades de investigación. “Hasta ahora, de alguna manera, habíamos cometido errores en el grabado para poder trabajar con los nitruros. En lugar de usar los componentes químicos adecuados, recurríamos a la fuerza bruta para eliminar material. Los resultados, por tanto, también mostraban muchos defectos y irregularidades”, explica la Dra. Hartmann. “Con la nueva máquina de grabado en seco, en cambio, conseguimos superficies y lados muy lisos en las obleas y también podemos estructurar mucho más profundamente. Incluso el nitruro de aluminio, mucho más duro, que necesitamos para los LEDs UV, ahora es moldeable. Antes, al menos en el caso del nitruro de galio, esto no era posible.”

Completamente nuevo en el instituto es, en cambio, el PECVD, que deposita capas de óxido de silicio o nitruro de silicio sobre las obleas. Hasta ahora, los investigadores del instituto tenían que sacar sus obleas de la sala limpia y enviarlas a alguien con un equipo de recubrimiento de este tipo. Además del esfuerzo, las obleas inevitablemente acumulaban polvo y contaminantes. Ahora, todo puede mantenerse en una sala limpia.

Grandes dispositivos para grandes avances

Lo que esto significa para un proyecto en concreto lo muestra el trabajo actual de Julian Käßmann. Como doctorando, él fabrica láseres diminutos, llamados láseres de retroalimentación distribuida. Estos láseres deberán en el futuro leer iones en los ordenadores cuánticos que están en proceso de creación en el Quantum Valley Lower Saxony. Para ello, se aplican capas finas de óxido de silicio sobre las obleas. Pero, sobre todo, hay que grabar estructuras filigranas y planas muy profundamente en las obleas. Cualquier irregularidad reduciría la potencia del láser. Un objetivo que solo con los nuevos dispositivos se puede alcanzar realmente.

Las actividades en el clúster de excelencia QuantumFrontiers también se benefician. Por ejemplo, los investigadores ordenan micro y nano LEDs en una cuadrícula para desarrollar iluminación rápida y estructurada para diversas aplicaciones. Especialmente cuando en el proyecto SMILE se quieren colocar los elementos de nitruro de galio en un chip CMOS, se necesitan contactos muy cercanos entre sí. La nueva máquina de grabado en seco hace exactamente eso posible.

En camino hacia la mejor sala limpia de semiconductores

Para dispositivos grandes como el ICP y el PECVD, no existe un manual de usuario universal. Aunque los equipos cumplen en general con su función, los resultados dependen en detalle de muchos factores (como la longitud de las líneas, la composición del gas o la velocidad de bombeo). Por ello, los investigadores del instituto actualmente ajustan los dispositivos uno por uno y optimizan los procesos. “Dado que en esto se trabaja a nanómetros, ya se necesita un microscopio electrónico de barrido para controlar los resultados. Y si además queremos controlar algo como el ángulo de inclinación de un grabado, tenemos que cortar las muestras adicionalmente con un FIB. ¡Qué bueno que contamos con tanto equipo de alta gama en el LENA!”, dice la Dra. Hartmann.

En el futuro, se esperan realizar aún más inversiones. La Dra. Hartmann comenta: “Estamos en proceso de adquirir un nuevo evaporador de haz de electrones y una máquina de pulido químico-mecánico (CMP). El primero deposita metales sobre las obleas, el segundo pule incluso materiales muy duros como el zafiro. Además, hay más dispositivos en planificación. Junto con las instalaciones de epitaxia y procesamiento ya existentes, los equipos ICP y PECVD nos abren muchas nuevas vías para fabricar componentes ópticos. Las futuras adiciones mejorarán aún más la calidad de nuestros componentes, lo cual marcará la diferencia, especialmente en los láseres para ordenadores cuánticos.”