Galliumnitrid leichter vom Saphir abgetrennt
Kristalline Lagen des Verbindungshalbleiters lassen sich dank einer extrem dünnen Trennschicht aus Bornitrid schneller fertigen.
Seit etwa 20 Jahren erstrahlen Leuchtdioden dank dünner Schichten aus Galliumnitrid auch blau und weiß. Doch bis heute gestaltet sich die Zucht und Verarbeitung der kristallinen Lagen des Verbindungshalbleiters sehr aufwendig. Mit einem neuen Verfahren, entwickelt von japanischen Wissenschaftlern, könnten sich blaue Leuchtdioden, Laserdioden und Bauteile für die Hochfrequenztechnik in Zukunft einfacher und günstiger fertigen lassen.
Abb.: Elektrolumineszenz einer blauen Leuchtdioden. Die Galliumnitrid-Lagen wuchsen auf einem Saphir, der zuvor mit einer hauchdünnen Trennschicht aus Bornitrid beschichtet wurde. (Bild: Kobayashi et al., NTT)
Wegen seiner großen Bandlücke ermöglichte erst Galliumnitrid – teils mit den Elementen Aluminium und Indium versetzt – eine Photonenemission im blauen Spektralbereich. Kombiniert mit Phosphoren, die optisch angeregt zusätzlich gelbes Licht aussenden, ermöglichen blaue Leuchtdioden hell strahlende Weißlicht-LED. Doch die dazu nötigen Kristallschichten lassen sich in guter Qualität nur auf einer Unterlage aus künstlichem Saphir züchten. Von diesen Substraten werden sie bisher meist mit einem zeitraubenden und aufwendigen Laserverfahren abgetrennt und müssen anschließend mit Salzsäure von störenden Verunreinigungen befreit werden.
Der Grund für diesen Aufwand liegt in den festen kovalenten Bindungen, die Galliumnitrid mit dem Saphir-Substrat eingeht. Yasuyuki Kobayashi und seine Kollegen vom NTT Forschungszentrum in Kanagawa setzten für ihr neues Verfahren genau an diesem Punkt an. Sie beschichteten den Saphir-Träger vorab mit einer monokristallinen Lage aus Bornitrid. Diese war mit etwa drei Nanometern dünn genug, um weiterhin gute Zuchtbedingungen für Galliumnitrid bieten zu können.
Auf diesen so behandelten Saphir-Träger ließen die Forscher nun mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie mehrere Galliumnitrid-Schichten – teils versetzt mit Aluminium und Indium – wachsen. Dieser Stapel entsprach dem Schichtaufbau einer blauen LED und ließ sich – kopfüber – auf verschiedene Träger aus Silizium, Metall, Glas oder durchsichtigem Kunststoff setzen. Schließlich hoben Kobayashi und Kollegen den Saphir-Träger mechanisch von diesem Stapel ab. Das gelang leicht in nur einem Arbeitsschritt, da die hauchdünnen Bornitrid-Schichten lediglich über schwache van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden waren. Der direkte Vergleich dieser Leuchtdiode mit einer herkömmlich gefertigten zeigte, dass so sogar bessere Qualitäten für die stromsparenden Halbleiter-Leuchten erreicht werden können.
In ihren ersten Versuchen schafften es die Forscher, Galliumnitrid-Schichten von bis zu zwei Quadratzentimetern Größe ohne Beschädigungen herzustellen. In weiteren Schritten halten sie auch deutlich größere Schichten für möglich. Dadurch könnten nicht nur die Produktionskosten für intensiv strahlende blaue und weiße Leuchtdioden sinken. Auch die Entwicklung neuer Bauteile für den Einsatz in der Hochfrequenztechnik könnte von großflächigen Galliumnitrid-Schichten profitieren.
Jan Oliver Löfken
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