Lokale und integrale Bestimmung von Verunreinigungskonzentrationen in GaN

© Foto Fraunhofer CSP

Abb.1: Schematische Darstellung der Laserablations-ICPMS-Methode.

© Foto Fraunhofer CSP

Abb. 2: Lichtmikroskopische Aufnahme der GaN-Probe mit mehreren Wachstumszonen. (AC: verschiedene Autoklaven). Maßstabsgetreu überlagert ist das mittels LA-ICPMS ermittelte Profil der Mn-Verunreinigung.

Galliumnitrid (GaN) ist ein zunehmend interessantes Material für verschiedene moderne Anwendungen wie LEDs oder leistungsstarke Transistoren. Je nach späterer Anwendung muss es verschiedene Reinheitsanforderungen erfüllen und der Herstellungsprozess entsprechend adaptiert werden. Das ammonothermische Verfahren z.B. ist zwar kostengünstig führt aber zur Inkorporation zahlreicher Verunreinigungen in das Halbleitermaterial. Dies hat Auswirkungen auf die Transparenz sowie die elektrischen und epitaktischen Eigenschaften. Mithilfe von sensitiven Methoden der Elementanalyse wie Laserablations-ICPMS (siehe Abb. 1) und ToF-SIMS wurden am Fraunhofer CSP Verunreinigungen wie Mn, Mg, O, Si, H und Na mit lokaler Auflösung analysiert und deren Quellen im Herstellungsprozess identifiziert.

Abb. 2 zeigt die lichtmikroskopische Aufnahme (Reflexion) einer GaN-Scheibe welche zonenweise in unterschiedlichen Autoklaven gewachsen ist (AC1-3). Entlang der Wachstumsrichtung (von links nach rechts) wurde mittels Laserablations-ICPMS das Profil verschiedener Elemente ermittelt. So konnte eine deutliche Abhängigkeit der Verunreinigung mit Mangan vom verwendeten Autoklaven festgestellt werden, siehe Diagramm in Abb. 2. An derselben Probe durchgeführte Photolumineszenz-Messungen zeigen, dass diese Verunreinigungen die NBE (near band edge) Lumineszenz beinträchtigen.

Mittels TOF-SIMS und FTIR wurden ebenfalls ortsaufgelöste Analysen an der beschriebenen Probe durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die Sauerstoff-Konzentration mit der Konzentration der freien Ladungsträger korreliert.

Daneben wurden am Fraunhofer CSP auch Methoden zur integralen Verunreinigungsanalyse in GaN entwickelt. Diese basieren auf einem chemischen Aufschluss und anschließender Analyse der Aufschlusslösung. Die erreichten Nachweisgrenzen liegen im unteren ppm-Bereich, sind aber Gegenstand laufender Optimierung.