III-V-, Si- & Ge-Epitaxie Lab

Das III-V-, Si- und Ge-Epitaxielabor bildet gemeinsam mit der III-V- und Si-Reinraumtechnologie einen zentralen Baustein des Zentrums für höchsteffiziente Solarzellen am Fraunhofer ISE.

In unserem Labor bieten wir Serviceleistungen zur Epitaxie von III-V- und IV-Halbleitern auf verschiedenen Waferformaten (von 4" rund bis M6 quadratisch) und Substraten wie Si, Ge, InP und GaAs an. Unsere Leistungen umfassen Serviceprozesse, Beratungen, Schulungen und Gutachten. Ebenfalls Teil unseres Service-Portfolios ist die umfassende strukturelle und elektrische Charakterisierung von Schichtsystemen und freistehenden epitaktischen Schichten. Darüber hinaus bieten wir die Präparation von Wafern für homo- oder heteroepitaktisches Wachstum mittels nasschemischer (z. B. spezielle Reinigung oder elektrochemische Porosifikation) und thermischer Vorbehandlungen an.

Dazu nutzen wir flexible, industrienahe Anlagen in einer hochreinen Prozessumgebung – für höchste Qualität bei gleichzeitig großer Flexibilität.

Zu unseren Kunden zählen sowohl Anlagen- und Komponentenhersteller als auch Herstellende epitaktisch gewachsener Halbleiterstrukturen. Durch unsere enge Vernetzung mit dem Labor für Reinraumtechnologie und dem PV-TEC konzentrieren wir uns in unserer Arbeit insbesondere auf die Bereiche Solarzellen und Laserleistungszellen und orientieren uns dabei an den Fragestellungen unserer produzierenden Industriekunden.

Unsere Services im »III-V, Si- & Ge-Epitaxie-Lab« umfassen:

• Epitaxie von III-V Halbleitern auf Ge-, InP- und GaAs-Substraten
• Epitaxie von Si und Ge und SiGe
• Elektrochemisches Ätzen und Reorganisation von Halbleitern
• Materialcharakterisierung von III-V Halbleiterverbindungen
• Oberflächenpräparation und Ablösen

Für die Epitaxie von Arseniden und Phosphiden stehen zwei Multi-Wafer-Reaktoren der Firma Aixtron (Planetenreaktor G4 & Close Coupled Showerhead Crius) zur Verfügung. Die Epitaxie findet auf Ge-, GaAs-, InP- oder Si-Substraten statt und für Mischkristalle aus Al, Ga, In, As, P und Sb erreichen wir sehr hohe Materialqualität für undotierte Schichten ebenso wie für solche mit n- bzw. p-Dotierung. Besondere Expertise besitzen wir in den Bereichen Heteroepitaxie direkt auf Germanium oder Silizium sowie metamorphem Wachstum von Materialien mit einer Bandlücke zwischen 2.1 eV und 0.74 eV. 

Für die Epitaxie von Si- und Ge-Schichten setzen wir einen Reaktor der Firma LPE/ASM (LPE2061S) ein. In diesem Doppelreaktor können wir Wafergrößen von 4“, 6“ und M6 beschichten. Als Prekursoren setzen wir Chlorsilane (HSiCl₃, SiCl₄ und GeCl₄) und für die Dotierung Diboran (B₂H₆) und Phosphin (PH₃) ein. Epitaktische Si- und Ge-Schichten zeichnen sich unter anderem dadurch aus, dass wir das Dotierprofil über die Dicke des Wafers einstellen können, indem wir den Dotiergasfluss während des Wachstums regeln.

Für die Präparation der Wafer steht eine Nasschemiestrecke in einem Reinraum zur Verfügung. Zu Zwecken der Charakterisierung können Strukturätzen durchgeführt und Querschliffe angefertigt werden. Darüber hinaus stehen für strukturelle Untersuchungen mehrere Lichtmikroskope mit KI-gesteuerten Auswertemasken, Elektronenmikroskope (inklusive Ionenstrahlpolieren), Atomic-Force-Mikroskope, Raman-Spektrometer und Röntgendiffraktions-Apparate zur Verfügung. Für die elektrischen Charakterisierung von dickeren Schichten können wir freistehende Referenzen herstellen.  

Das elektrochemische Ätzen von ein- und mehrlagigen porösen Schichten erfolgt unter der Verwendung von Fluss- und Essigsäure. In der Anlage von AMMT ätzen wir hauptsächlich Germanium mittels bipolaren Prozessen (Wafergrößen 4“). Die LayTEC Anlage ist mit einseitiger Beleuchtung für das lichtunterstützte Ätzen ausgestattet (Wafergrößen 4“, 6“, 12“ und M6). Diese Anlage verwenden wir für das randlose Ätzen von Silizium und Siliziumkarbid. Für die Vor- und Nachreinigung stehen uns eine nasschemische Strecke in einem Reinraum und ein Rinser-dryer zur Verfügung.

Die thermische Nachbehandlung erfolgt entweder in einem Epitaxiereaktor unter reinem Wasserstoff oder in thermischen Anlagen unter N₂- oder Ar-Atmosphäre. Für die strukturelle Charakterisierung setzen wir hauptsächlich Elektronenmikroskopie und Röntgendiffraktometrie ein. Die porösen Schichtstapel können auch aus Einzelbildern, welche mittels Ionenstrahlpolitur erstellt werden, mit der software dragonfly© 3D rekonstruiert werden.

Für die Epitaxieentwicklung sowie Qualitätskontrolle stehen umfangreiche Analysemethoden und Messgeräte zur Verfügung, beginnend mit in-situ Metrologie während des MOVPE Prozesses. Ex-situ können die Dotierhöhen mittels ECV oder Hall Messungen bestimmt werden. Strukturelle Charakteriserungen erfolgen mittels AFM und HR-XRD. Zusätzlich sind Photolumineszenzbasierte Charakterisierungsmethoden etabliert (Wafermapping (Intensität und Peakwellenlänge), Leistungsreihen und Transienten). Defektcharakterisierung kann mittels Spektroskopie (DLTS), ECCI (electron channeling contrayst imaging) und Kathodolumineszenz erfolgen. Die Materialentwicklung wird flankiert mit Möglichkeiten der elektro-optischen Simulation, um die Entwicklung von Bauteilen zu beschleunigen.

Bevor wir epitaktisch gewachsene Schichten aus Silizium oder Germanium ablösen, führen wir eine Flächendefinition mittels Diamantblattsäge oder mittels Laser durch. Zusätzlich können wir vorab die hochporöse Trennschicht mit einem Ultraschallaufbau vermessen und deren homogene Ausbildung bildlich darstellen.

Für das mechanische Abheben der Schichten stehen uns ein manueller Aufbau und ein halbautomatischer Aufbau (beide für Wafergößen bis M6) zur Verfügung. Nach erfolgter Ablösung können wir mit einem Lichtmikroskop die Stützstellen automatisiert vermessen und kategorisieren.