Rompere GaN

Dott.ssa Jana Hartmann e Juliane Breitfelder (da sinistra) nel nuovo ambiente di lavoro del laboratorio di tecnologia dei semiconduttori dell'Istituto di tecnologia dei semiconduttori. (Crediti fotografici: Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

Mentre uno dei dispositivi effettua l'etching, questa unità PECVD deposita nuovi strati di semiconduttore sui wafer dell'istituto. (Crediti immagine: Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

Il percorso verso le nuove tecnologie LED avviene strato dopo strato ed è letteralmente corrosivo. Per poter creare nel nostro istituto di tecnologia dei semiconduttori, ad esempio, LED blu a base di nitruro di gallio (GaN), sono necessari apparecchiature di camera pulita altamente specializzate. Con due nuovi dispositivi si aprono ora ulteriori strade per la tecnologia dei semiconduttori, dalle quali beneficiano soprattutto anche associazioni come il cluster di eccellenza QuantumFrontiers e il Quantum Valley Lower Saxony (QVLS). Dietro ci sono diversi anni di lavoro. Infatti, ciascuna delle macchine ha le sue peculiarità, che solo un microscopio elettronico riesce a scoprire.

Solo l’installazione dei due nuovi grandi dispositivi – Oxford Plasma Pro 100 e Plasma Pro 80 – è costosa. Nuove connessioni di gas, riduttori di pressione, tecnologie di sicurezza e molto altro. Insieme al prezzo dei dispositivi, si arriva a quasi un milione di euro, finanziato dal cluster QuantumFrontiers, dalla DFG e dall’Istituto di tecnologia dei semiconduttori dell’Università tecnica di Braunschweig. Ma cosa fanno esattamente questi dispositivi? È meglio chiederlo al Dr. Jana Hartmann. Come responsabile di un gruppo di giovani ricercatori, coordina il lavoro sui nuovi protagonisti nel camera bianca dell’istituto.

Dr. Jana Hartmann: “Il Plasma Pro 80 è un ‘Deposizione Chimica in Vapore Assistita da Plasma’, breve PECVD. Con esso applichiamo sottili strati di semiconduttori sui wafer, il supporto di produzione per i chip. Il Plasma Pro 100, utilizzato per ‘incisone reattiva con plasma induttivamente accoppiato’ o RIE-ICP, è responsabile del contrario: rimuove miratamente il materiale con gas di cloro. Chi lavora con i chip ha assolutamente bisogno di entrambi. Di conseguenza, praticamente tutti i progetti dell’istituto beneficiano dei nuovi dispositivi.”

Sviluppo di chip in un unico luogo

Nel nostro istituto si è già fatto incisione anche con un ICP, ma con gas di fluoro. Questi, tuttavia, non attaccano chimicamente materiali come il nitruro di gallio e il nitruro di alluminio. Eppure, proprio queste sostanze semiconduttrici sono al centro delle attività di ricerca come materiali di base per i LED. “Finora abbiamo in qualche modo ‘sbagliato’ nel tentativo di lavorare con i nitridi. Invece di usare i componenti chimici appropriati, abbiamo usato la forza bruta per asportare il materiale. E i risultati erano ovviamente pieni di difetti e irregolarità”, spiega il Dr. Hartmann. “Con il nuovo macchinario per incisione a secco, otteniamo superfici e pareti laterali molto lisce sui wafer e possiamo anche strutturare molto più profondamente. Anche il nitruro di alluminio, molto più duro, che ci serve per i LED UV, ora è modellabile. Fino a poco tempo fa, si arrivava al limite con il nitruro di gallio.”

Completamente nuovo per l’istituto è invece il PECVD, che deposita strati di ossido di silicio o di nitruro di silicio sui wafer. Finora, i ricercatori dell’istituto dovevano portare i wafer fuori dalla camera bianca e inviarli a qualcuno con un sistema di rivestimento di questo tipo. Oltre allo sforzo, i wafer inevitabilmente si sporcano di polvere e impurità. Ora tutto può rimanere all’interno della camera bianca.

Grandi dispositivi per grandi progressi

Ciò che questo significa per un progetto specifico è mostrato dal lavoro attuale di Julian Kaßmann. Come dottorando, realizza minuscoli laser a feedback distribuito, chiamati Distributed Feedback Lasers. Questi laser dovrebbero in futuro leggere ioni nei computer quantistici, che stanno emergendo nel Quantum Valley Lower Saxony. Per farlo, vengono applicati tra l’altro sottili strati di ossido di silicio sui wafer. Ma soprattutto, devono essere incisi strutture filigrane e piane molto profonde nei wafer. Ogni irregolarità ridurrebbe la luminosità del laser. Un obiettivo che diventa possibile solo con i nuovi dispositivi.

Anche le attività nel cluster di eccellenza QuantumFrontiers beneficiano di questi progressi. Ad esempio, i ricercatori dispongono di micro- e nano-LED disposti in reticolo, per sviluppare illuminazione rapida e strutturata per molte applicazioni. Soprattutto quando nel progetto SMILE gli elementi di nitruro di gallio devono essere integrati in un chip CMOS, sono necessari contatti molto ravvicinati. La nuova macchina per incisione a secco rende tutto questo possibile.

Verso il miglior camera bianca per semiconduttori

Per grandi dispositivi come l’ICP e il PECVD, non esiste un manuale utente universale. Certo, i sistemi funzionano fondamentalmente come dovrebbero. Tuttavia, i risultati dipendono in dettaglio da molti fattori (come la lunghezza dei condotti, la composizione del gas o i tempi di pompaggio). Di conseguenza, i ricercatori dell’istituto attualmente impostano i dispositivi uno per uno e ottimizzano i processi. “Poiché si tratta di nanometri, è già necessario un microscopio elettronico a scansione per controllare i risultati. Se vogliamo anche controllare qualcosa come l’angolo di incidenza di un’incisione, dobbiamo tagliare ulteriormente i campioni con un FIB. Fortunatamente, abbiamo così tanta attrezzatura di alta gamma al LENA!”, dice il Dr. Jana Hartmann.

In futuro, sono previste ulteriori investimenti. Il Dr. Jana Hartmann: “Stiamo acquistando un nuovo evaporatore a fascio di elettroni e una macchina di lucidatura chimico-meccanica (CMP). Il primo deposita metalli sui wafer, il secondo lucida anche materiali molto duri come lo zaffiro. Inoltre, sono in programma altri dispositivi. Insieme alle attrezzature di epitassia e di processo già esistenti, l’ICP e il PECVD ci aprono molte nuove strade per la produzione di componenti ottici. Le aggiunte pianificate miglioreranno ulteriormente la qualità dei nostri componenti, cosa che farà la differenza soprattutto per i laser nei computer quantistici.”