Galliumnitrid-Halbleiter (GaN) können jetzt ohne Ammoniak gezüchtet werden, eine giftige Chemikalie, die ein ausgeklügeltes Entgiftungssystem benötigt, bevor sie in die Atmosphäre freigesetzt werden kann. Die neue Technik ist nicht nur umweltfreundlicher, sondern ermöglicht auch das effiziente und qualitativ hochwertige Wachstum von Kristallen zu geringeren Kosten.
Wissenschaftler können Halbleiter effizienter herstellen, indem sie weniger Rohstoffe und Energie verbrauchen. Forscher der Universität Nagoya in Japan leiteten die Studie, die veröffentlicht In Wissenschaftliche Berichte.
GaN ist eine Verbindung aus Gallium (Ga) und Stickstoff (N), die als Halbleiter fungiert. GaN-Halbleiter werden aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Spannungen und Ströme zu verarbeiten, häufig in Mobilfunkbasisstationen, Schnellladegeräten, Mikrowellen- und Millimeterwellenkommunikation, Bildgebung, Radioastronomie, Leistungsschaltung und Radarsystemen, einschließlich militärischer Systeme, eingesetzt.
Die am häufigsten verwendete Technik zur kommerziellen Herstellung von GaN-Filmen ist die metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD), bei der Ammoniakgas (NH3) als Stickstoffquelle zum Ga verwendet wird. Die Geschwindigkeit, mit der Ammoniak bei diesem Verfahren zersetzt wird (Zersetzungseffizienz genannt), ist jedoch sehr gering.
„Dadurch ist ein großer Ammoniakverbrauch notwendig“, sagte der entsprechende Forscher Arun Dhasiyan.
„Ammoniak ist ein sehr giftiges und ätzendes Gas, das beim Einatmen schwere Schäden an Augen, Haut und Atemwegen verursachen kann. Da es so giftig ist, muss ein Großteil des Ammoniaks entgiftet und ungenutzt entsorgt werden, was viel Energie erfordert. Dies macht einen großen Teil, bis zur Hälfte, der gesamten Produktionskosten aus.“
Um aktivierten Stickstoff zu erzeugen, aktivierte die Gruppe um die Professoren Masaru Hori und Kenji Ishikawa sowie Dr. Dhasiyan von der cLPS-Abteilung der Universität Nagoya Stickstoff, ein in der Atmosphäre leicht vorhandenes Gas, indem sie an eine der Elektroden Hochfrequenzleistung (100 MHz) anlegten.
Mithilfe dieser patentierten Technik entwickelte das Team kostengünstiges, hochwertiges GaN-Material für Halbleiterbauelemente. „Unsere Methode, bekannt als REMOCVD-Methode, löst drei Probleme des GaN-Wachstums“, erklärte Dhasiyan.
„Es ermöglicht das Wachstum von GaN-Halbleitern bei niedrigeren Temperaturen (etwa 800 °C im Vergleich zu über 1.150 °C); es verwendet Stickstoff- und Wasserstoffgas anstelle von Ammoniakgas, was Rohstoffe spart und die Produktionskosten senkt; und es macht auch die Extraktion von Stickstoff aus dem Ammoniakschritt überflüssig, was den Prozess bei niedrigeren Temperaturen schneller macht.“
Ihr neues Kristallwachstumsverfahren wird das herkömmliche Verfahren ersetzen, da es leicht zu industrialisieren ist und GaN-Halbleiter mit weniger Verunreinigungen produziert. Das Team geht davon aus, dass die Entwicklung neuer Technologien die stromsparenden GaN-Halbleiterbauelemente verbessern und zu effizienteren Leistungsbauelementen führen wird.
Derzeit wird für Anwendungen in Leistungsgeräten und kostengünstigen LEDs eine industrielle Ausrüstung für Substrate mit großem Durchmesser von 150–300 mm benötigt. Die Gruppe hat ein REMOCVD-System mit 300 mm Durchmesser installiert, um die Produktion im großen Maßstab zu testen. Sie sind überzeugt, dass die hohe Wachstumsrate und Kristallqualität von GaN mit REMOCVD bald die MOCVD-Methode ersetzen wird.
„Bei cLPS haben wir mit der REMOCVD-Methode GaN-, Aluminiumnitrid-, Indiumnitrid- und Aluminiumindiumnitrid-Schichten gezüchtet und festgestellt, dass sich alle diese häufig verwendeten Halbleitermaterialien bei viel niedrigeren Temperaturen als bei der MOCVD-Methode und ohne Verwendung von Ammoniakgas sehr effektiv züchten lassen“, sagte Dhasiyan.
„Das Spannendste ist, dass die Kristallqualität und die Wachstumsgeschwindigkeit denen von MOCVD nahe kommen, sodass wir bei geringerer Umweltbelastung das gleiche Qualitätsniveau erreichen.“
Mehr Informationen:
Arun Kumar Dhasiyan et al., Epitaktisches Wachstum von hochwertigem GaN mit hoher Wachstumsrate bei niedrigen Temperaturen durch radikalverstärkte metallorganische chemische Gasphasenabscheidung, Wissenschaftliche Berichte (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-61501-9