Przełom w technologii GaN

Dr. Jana Hartmann i Juliane Breitfelder (od lewej) w nowo wyposażonym pomieszczeniu czystym Instytutu Technologii Półprzewodników. (Źródło zdjęcia: Max Fuhrmann/TU Braunschweig) / Dr Jana Hartmann i Juliane Breitfelder (od lewej) w nowo wyposażonym pomieszczeniu czystym Instytutu Technologii Półprzewodników. (Źródła zdjęcia: Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

Podczas gdy jedno z urządzeń wykonuje trawienie, ta jednostka PECVD nanosi nowe warstwy półprzewodnikowe na wafle instytutu. (Źródło zdjęcia: Max Fuhrmann/TU Braunschweig)

Droga do nowych technologii LED przebiega warstwowo i jest dosłownie drapiąca. Aby w Instytucie Technologii Półprzewodników mogły powstać na przykład niebieskie diody LED z azotku galu (GaN), potrzebny jest wysoce specjalistyczny sprzęt do czystych pomieszczeń. Dzięki dwóm nowym urządzeniom otwierają się teraz kolejne ścieżki rozwoju technologii półprzewodników, z których korzystają przede wszystkim związki takie jak klaster ekspertyz QuantumFrontiers i Quantum Valley Lower Saxony (QVLS). Za tym stoi kilka lat pracy. W końcu każde z tych urządzeń ma swoje własne cechy, które mogą rozpoznać tylko mikroskopy elektronowe.

Tylko instalacja dwóch nowych dużych urządzeń – Oxford Plasma Pro 100 i Plasma Pro 80 – jest kosztowna. Nowe podłączenia gazów, reduktory ciśnienia, systemy bezpieczeństwa i wiele innych. W sumie, wraz z ceną urządzeń, kosztuje to prawie milion euro, finansowane przez klaster QuantumFrontiers, DFG i Instytut Technologii Półprzewodników TU Braunschweig. Ale co te urządzenia w ogóle robią? Najlepiej zapytać o to dr Janę Hartmann. Jako kierownik grupy młodych naukowców koordynuje ona pracę nad nowymi gwiazdami w czystej komorze Instytutu.

Dr Jana Hartmann: „Plasma Pro 80 to urządzenie typu ‚Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition‘, skrót PECVD. Umożliwia ono nanoszenie cienkich warstw półprzewodnikowych na wafle, czyli na podstawę do produkcji układów scalonych. Z kolei Plasma Pro 100, używany do ‚reactive ion etching by inductively coupled plasma‘, czyli RIE-ICP, jest odpowiedzialny za dokładne wyżarzanie materiału za pomocą chlorków gazowych. Ci, którzy pracują z układami scalonymi, koniecznie potrzebują obu tych urządzeń. W zasadzie wszystkie projekty instytutu korzystają z nowych urządzeń.”

Rozwój układów scalonych w jednym miejscu

W instytucie wcześniej już stosowano wyżarzanie za pomocą ICP, ale z użyciem gazów fluorowych. Jednak te nie chemicznie reagują z materiałami takimi jak azotek galu czy azotek glinu. A właśnie te związki półprzewodnikowe stanowią podstawę do produkcji diod LED w ramach badań. „Do tej pory trochę błędnie szacowaliśmy, aby móc pracować z azotkami. Zamiast odpowiednich składników chemicznych, używaliśmy siły fizycznej do usuwania materiału. Efekty były więc pełne defektów i nierówności,” wyjaśnia dr Hartmann. „Dzięki nowej maszynie do suchych wyżarzania uzyskujemy gładkie powierzchnie i boczne ściany na waferach, a także możemy tworzyć znacznie głębsze struktury. Nawet twardszy azotek glinu, którego potrzebujemy do UV-LED, jest teraz formowalny. Kiedyś kończyło się to na azotku galu.”

Całkowicie nowym urządzeniem na instytucie jest PECVD, które nanoszą warstwy tlenku krzemu lub azotku krzemu na wafle. Dotychczas naukowcy musieli wyjmować wafle z czystego pomieszczenia i wysyłać je do kogoś, kto posiada takie urządzenie do powlekania. Poza wysiłkiem, wafle zbierały przy tym kurz i zanieczyszczenia. Teraz wszystko może pozostać w czystym pomieszczeniu.

Duże urządzenia dla wielkich postępów

To, co to oznacza dla konkretnego projektu, pokazuje obecna praca Juliana Käsanna. Jako doktorant tworzy on mikroskopijne lasery typu Distributed Feedback. Lasery te mają w przyszłości odczytywać jony w komputerach kwantowych, które powstają właśnie w Quantum Valley Lower Saxony. Do tego celu stosuje się między innymi cienkie warstwy tlenku krzemu na waflach. Przede wszystkim jednak trzeba bardzo głęboko wyżłobić delikatne, płaskie struktury w waflach. Każda nierówność zmniejszyłaby moc lasera. To cel, który jest w zasięgu tylko dzięki nowym urządzeniom.

Podobnie korzystają na tym działania w klastrze QuantumFrontiers. Na przykład naukowcy układają mikro- i nanodiody LED w siatki, aby opracować szybkie, strukturalne oświetlenie do różnych zastosowań. Szczególnie gdy w projekcie SMILE elementy azotku galu mają trafić na chip CMOS, potrzebne są bardzo gęste kontakty. Nowa maszyna do suchych wyżarzania umożliwia dokładnie to.

Na drodze do najlepszego czystego pomieszczenia dla półprzewodników

Jeśli chodzi o duże urządzenia, takie jak ICP i PECVD, nie ma uniwersalnego podręcznika obsługi. Chociaż urządzenia zasadniczo robią to, do czego zostały stworzone, wyniki w dużej mierze zależą od wielu czynników (np. długości przewodów, składu gazów czy szybkości odsysania). Dlatego naukowcy w instytucie obecnie uruchamiają urządzenia krok po kroku i optymalizują procesy. „Ponieważ wszystko musi działać na poziomie nanometrów, potrzebny jest już skaningowy mikroskop elektronowy do kontroli wyników. Jeśli chcemy jeszcze kontrolować kąt pochylenia warstwy podczas wyżarzania, musimy dodatkowo przeciąć próbki za pomocą FIB. Dobrze, że mamy tak dużo sprzętu high-end w LENA!” – mówi dr Jana Hartmann.

W przyszłości planowane są kolejne inwestycje. Dr Jana Hartmann: „Obecnie staramy się pozyskać nowy elektronowy źródłowy urządzenie do napylania i maszynę do chemiczno-mechanicznego polerowania (CMP). Pierwsze służy do nanoszenia metali na wafle, drugie do polerowania nawet najtwardszych materiałów, takich jak szafir. Ponadto planujemy kolejne urządzenia. Wraz z już posiadanymi urządzeniami do epytaksji i procesowania, ICP i PECVD otwierają przed nami wiele nowych możliwości w produkcji komponentów optycznych. Planowane uzupełnienia jeszcze bardziej poprawią jakość naszych elementów, co ma kluczowe znaczenie zwłaszcza dla laserów w komputerach kwantowych.”