Breken 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 (von links) im neu ausgestatteten Reinraum des Instituts für Halbleitertechnik. (Bildnachweis: Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

Terwijl een van de apparaten etst, brengt deze PECVD nieuwe halfgeleiderslagen aan op de wafers van het instituut. (Beeldcredit: Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

De weg naar nieuwe LED-technologieën verloopt laag voor laag en is letterlijk bijtend. Om bijvoorbeeld blauwe LEDs uit Gallium Nitride (GaN) te kunnen maken, is hooggespecialiseerde cleanroom-uitrusting nodig. Met twee nieuwe apparaten ontstaan nu verdere mogelijkheden voor de halfgeleidertechniek, waar vooral ook verenigingen zoals het Excellencenetwerk QuantumFrontiers en het Quantum Valley Lower Saxony (QVLS) van profiteren. Hierachter staan meerdere jaren werk. Elke machine heeft immers haar eigen kenmerken, die alleen een elektronenmicroscoop kan ontrafelen.

Alleen de installatie van de twee nieuwe grote apparaten – Oxford Plasma Pro 100 en Plasma Pro 80 – is kostbaar. Nieuwe gasaansluitingen, drukregelaars, veiligheidstechniek en nog veel meer. Samen met de prijs van de apparaten komt er bijna een miljoen euro bij, gefinancierd door het cluster QuantumFrontiers, de DFG en het Institute for Semiconductor Technology van de TU Braunschweig. Maar wat doen deze apparaten überhaupt? Die vraag stel je het beste aan Dr. Jana Hartmann. Als leidinggevende van de jonge onderzoeksgroepen coördineert zij het werk aan de nieuwe sterren in de cleanroom van het instituut.

Dr. Jana Hartmann: „De Plasma Pro 80 is een ‘Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition’, kort PECVD. Hiermee brengen we dunne halfgeleiderschichten aan op wafers, de fabricageplaten voor chips. De Plasma Pro 100, ingezet voor ‘reactive ion etching by inductively coupled plasma’ of kortweg RIE-ICP, is verantwoordelijk voor het tegenovergestelde: het doelgericht weg etsen van materiaal met chloor-gassen. Wie met chips werkt, heeft beide nodig. Derhalve profiteren in feite alle projecten van het instituut van de nieuwe apparaten.“

Chipontwikkeling op één locatie

Het etsen werd bij het instituut eerder al gedaan met een ICP, maar dan met fluor-gassen. Deze chemisch agressieve gassen reageren echter niet met materialen zoals Gallium Nitride en Aluminium Nitride. Deze halfgeleiderverbindingen vormen juist de basis voor LEDs en staan centraal in de onderzoeksactiviteiten. „We hebben tot nu toe min of meer verkeerd geëtst om toch met de nitriden te kunnen werken. In plaats van de juiste chemische componenten te gebruiken, maakten we gebruik van brute kracht om materiaal weg te halen. De resultaten waren dan ook vol defecten en oneffenheden,“ legt Dr. Hartmann uit. „Met de nieuwe droog-etsmachine krijgen we daarentegen heel gladde oppervlakken en zijwanden in de wafers en kunnen we ook veel dieper structuren aanbrengen. Zelfs het veel hardere Aluminium Nitride, dat we voor UV-LEDs nodig hebben, is nu vormbaar. Vroeger was bij Gallium Nitride wel klaar, maar nu kunnen we verder.“

Helemaal nieuw voor het instituut is de PECVD, die siliciumoxide- of siliciumnitride-lagen op de wafers afzet. Tot nu toe moesten de onderzoekers hun wafers uit de cleanroom halen en naar iemand sturen met zo’n afzetapparaat. Afgezien van de inspanning verzamelen de wafers daarbij onvermijdelijk stof en verontreinigingen. Nu kan alles in één cleanroom blijven.

Grote apparaten voor grote vooruitgang

Wat dit concreet betekent voor een project, laat het actuele werk van Julian Kaßmann zien. Als promovendi produceert hij kleine, zogenaamde Distributed Feedback Lasers. Deze lasers moeten in de toekomst ionen uitlezen in de kwantumcomputers die net ontstaan in het Quantum Valley Lower Saxony. Daarvoor worden onder andere fijne lagen van siliciumoxide op de wafers aangebracht. Maar vooral moeten delicate, vlakke structuren heel diep in de wafers worden geëtst. Elke oneffenheid zou de laser een stuk van zijn lichtkracht kosten. Een doelstelling die pas met de nieuwe apparaten überhaupt binnen bereik komt.

Ook activiteiten binnen het Excellencenetwerk QuantumFrontiers profiteren hiervan. Zo rangschikken de onderzoekers micro- en nano-LEDs in rasterpatronen om snelle, gestructureerde verlichting voor allerlei toepassingen te ontwikkelen. Vooral wanneer in het project SMILE de Gallium Nitride-elementen op een CMOS-chip moeten komen, zijn zeer dicht op elkaar liggende contacten nodig. De nieuwe droog-etsmachine maakt dat precies mogelijk.

Op weg naar de beste halfgeleider-cleanroom

Voor grote apparaten zoals de ICP en PECVD bestaat er geen universeel gebruikshandboek. Hoewel de systemen in principe doen wat ze moeten, hangen de resultaten in detail af van veel factoren (zoals leidinglengte, gasmengsel of afzuigsnelheid). Daarom rijden de onderzoekers van het instituut de apparaten momenteel stuk voor stuk in en optimaliseren ze de processen. „Omdat het op nanometers aankomt, is al een rasterelektronenmicroscoop nodig om de resultaten te controleren. Wil je daarnaast bijvoorbeeld de flankhoek van een etsing controleren, dan moeten we de monsters extra doorsnijden met een FIB. Gelukkig hebben we zoveel high-end apparatuur in LENA!“ zegt Dr. Jana Hartmann.

In de toekomst zullen nog meer investeringen volgen. Dr. Jana Hartmann: „We zijn bezig met de aanschaf van een nieuwe elektronenstraal-verdampingsinstallatie en een CMP (Chemical-Mechanical Polishing). De eerste brengt metalen op wafers aan, de tweede polijst zelfs de hardste materialen zoals saffier. Daarnaast zijn nog meer apparaten in planning. Samen met de reeds aanwezige epitaxie- en procestechnologieën openen de ICP en PECVD ons vele nieuwe wegen om optische componenten te maken. De geplande uitbreidingen zullen de kwaliteit van onze onderdelen verder verbeteren, wat vooral voor lasers in kwantumcomputers het verschil maakt.“