Guide: Halvledare med galliumnitrid (GaN) – Så går tillverkningen till

Metoden för beläggning kallas för epitaxi. Under processen reagerar gaser och metallorganer med substratmaterialet under väl kontrollerade betingelser och hög temperatur. På detta sätt kan tunna skikt eller nanotrådar av GaN ”odlas” på en wafer. Den nya generationen halvledare har just inslag av GaN-material. 

Den färdiga wafern kapas sedan ned till frimärkessmå bitar som kapslas in. I dagligt tal kallas den inkapslade halvledaren för mikrochipp eller bara chipp. De kan beskrivas som hjärnan och minnet som får elektroniska produkter att fungera. Chippen innehåller miljontals transistorer. Ju fler transistorer en enhet har, desto snabbare är den på att utföra sina arbetsuppgifter. 

GaN är ett halvledarmaterial med ett brett bandgap och det är hemligheten bakom dess framgångar. Det breda bandgapet gör att GaN kan användas vid betydligt högre temperatur och högre elektrisk spänning med bibehållen funktionalitet, jämfört med kisel. En elektronisk enhet med GaN-halvledare kan till exempel konstrueras mindre och lättare, samtidigt som den är mer energieffektiv vilket ger längre batteritid. 

Steg-för-steg-tillverkning av halvledare i GaN-material

Vid experimentell utveckling av GaN-halvledare kan man med fördel använda safir i stället för kisel. Tillverkningsstegen som beskrivs nedan är i stort sett de samma för båda substraten. Odlingen, eller växten, av GaN är dock svårare på kisel eftersom skivorna är benägna att spricka på grund av mekanisk spänning om inte specifika lager odlas för att motverka trycket. De olika skikten kan exempelvis kombineras av GaN, AlGaN eller InGaN. "Receptet" är bland annat det som gör GaN-halvledaren unik. Receptet är avgörande för materialtillväxten och styr sammansättningen av gas samt temperatur- och tryckprofiler. RISE kristalltillväxtexperter startar utvecklingsprocessen med safir och när receptet är förfinat för den specifika innovationen används det på kiselsubstrat.

Steg 1. Rengöring av substrat inför MOCVD-växt

I kemilaboratoriet inspekterar och rengör en laboratorieingenjör basplattorna i ett dragskåp. Här förbereder han dem antingen för mönstertillväxt eller MOCVD, som står för metal-organic chemical vapour deposition. Den stora kapaciteten av ProNanos MOCVD-reaktor gör att sju 50-millimetersskivor kan växas epitaxiellt i en omgång, alternativt en 150-millimetersskiva i en omgång. När de mindre skivorna växes utnyttjas inte alltid den fulla kapaciteten och endast en eller två skivor används av de sju platserna. Detta kan till exempel vara i experimentellt syfte vid processutveckling eller kalibrering av växtreaktorns processparametrar såsom temperatur, tryck eller gasflöden. För uniforma växtbetingelser behöver de tomma positionerna fyllas av skivor av samma storlek och substratmaterial, i det exemplifierade fallet nedan: safir.  

Utifrån ett hållbarhetsperspektiv och för att hushålla med resurser återanvänds safirskivorna efter användning. Detta görs genom att etsa, eller rensa, bort all galliumnitrid (GaN) från safirskivans toppyta med uppvärmd kaliumhydroxid (KOH). Safirskivorna placeras i en hållare och doppas ned i etsmedlet.

Eftersom etsmedlet behöver värmas upp för att uppnå en snabb och effektiv rengöring av safirskivorna, sänks skivorna ned i ett uppvärmt vattenbad där temperatur och volym kontrolleras

När rengöringsprocessen är avslutad sköljs safirskivorna i filtrerat avjoniserat vatten och torkas med trycksatt kvävgas. Detta lämnar dock ett tunt lager vatten kvar på ytan som tas bort genom att värma upp skivorna i en ugn över 100 °C.

Steg 2. Mönstertillverkning och karaktärisering med svepelektronmikroskop

Innan nanostrukturer kan växas utsätts de rena skivorna för ett flertal processer i renrummet, till exempel deponering, spinning och etsning. Det skapar ett mönster av håligheter, på nanometerskala, över hela skivans yta. Håligheterna är till för att bestämma var nanostrukturerna ska skapas eller inte. Kvaliteten, så som storlek, spridning och renhet, kan mätas på ett effektivt sätt med svepelektronmikroskopi. Mönstrets dimensioner påverkar den epitaxiella växtens ingångsparametrar och är därför ett nödvändigt steg för att skapa högkvalitativt halvledarmaterial.

Steg 3. Epitaxiell tillväxt på halvledare med MOCVD

ProNanos reaktor för epitaxiell tillväxt är av typen MOCVD. Principen för kristallväxten är att gaser av olika typer flödas in i en kammare med hög kontroll på tryck, temperatur och gasförhållanden, vilket får gaserna att brytas ned vid ytan på de substrat som fungerar som startmaterial.

Substratets mönster och kristallplan riktar in växten att anta viss riktning så att högkvalitativa filmer eller nanostrukturer kan växas ovanpå substraten. All hantering av substraten görs i en kontrollerad miljö av kvävgas, en inert gas som inte påverkar substratens yta innan och efter kristallväxten. Hanteringen av substraten sker genom handskar in mot den kvävgasfyllda kammaren. Skivorna placeras tätt intill varandra för så jämlika betingelser i form av temperatur, tryck och gasförhållanden under den epitaxiella kristallväxten.

_{Hanteringen av substraten, i detta fall safirskivor med en diameter på 50 millimeter, sker genom handskar in mot en kvävgasfylld kammare. 50-millimetersskivorna placeras tätt intill varandra för så jämlika betingelser i form av temperatur, tryck och gasförhållanden under den epitaxiella kristallväxten.}

Steg 4. Ytterligare karaktärisering av halvledare med svepelektronmikroskop (SEM)

Svepelektronmikroskopet (SEM) som användes i steg två används i detta steg för att studera formen av nanostrukturer efter den epitaxiella växten av GaN på substratet. Med SEM-utrustningen kan man på ett noggrant och snabbt sätt studera nanostrukturer och kvalificera kvaliteten på epitaxiellt växt halvledarmaterial.

Vid epitaxiell kristallväxt skapas defekter, även kallat dislokationer, i materialet. Ju fler dislokationer det finns i halvledaren desto mer energi går till spillo vid den elektriska omvandlingen och de blir således mindre energieffektiva. RISE experter arbetar tillsammans med kunder på att realisera okonventionella tillväxtmetoder, såsom koalescering av nanotrådar vilken visat lovande resultat mot lägre defektdensitet i GaN-material.

SEM-utrustningen kan användas för att just undersöka och fastställa defektdensiteten i halvledarmaterialet. Mikroskopmetoden bygger på att elektroner skjuts mot det prov som ska studeras, till exempel en safirskiva. Det tunna epitaxiella halvledarmaterialet placeras med metallklämmor mot en jordad hållare för att elektronstrålen i mikroskopet inte ska skapa suddiga mikroskopbilder. Interaktionen mellan elektronerna gör så att elektroner eller röntgenstrålar sprids ut från provet. Dessa signaler kan fångas upp med detektorer och bilder med en upplösning på under en nanometer kan konstrueras.

Steg 5. Tillverkning av komponenter och karakteriseringstester

Efter GaN-kristallerna har analyserats med SEM, tillverkar RISE experter elektroniska komponenter, till exempel Schottkydioder eller p-n-dioder, av halvledarmaterialet. Karakteriseringstester genomförs för att testa materialets elektriska ledningsförmåga, elementens sammansättning och ytjämnhet. Komponenterna tillverkas i renrum med hjälp av litografiska metoder, etsning samt metallkontakter som deponeras ovanpå det odlade materialet. Därefter mäter experterna komponentens elektriska förmåga, såsom ström-spänning och kapacitans, och utvärderar dess prestanda utifrån parametrar, som till exempel genombrottsspännning och läckström.

_{Från det epitaxiella halvledarmaterialet tillverkas elektriska komponenter. Det fyrkantiga mönstret på halvledaren är komponenter och de har tillverkats med hjälp av litografiska metoder, etsning samt metallkontakter som deponeras ovanpå det odlade materialet.}

BONUS: Startup-bolaget Hexagem utvecklar halvledare med GaN hos ProNano

Läs vidare i nästa berättelse om Lundaföretaget Hexagem som vidareutvecklar nästa generations halvledarteknik i GaN-material hos RISE testbädd. Hexagems vd, Mikael Björk berättar:

”På ProNano jobbar vi i princip på samma typ av maskiner som de stora halvledartillverkarna. Det är något som skulle ha varit väldigt dyrt för ett startup-bolag som Hexagem att finansiera på egen hand. Vi får en helt annan stabilitet med jämnare produktion och reproducerbarhet än vad vi till exempel hade fått på ett universitetslabb som har fler olika material i maskinerna.”