»Unternehmen können unsere neuen InP-auf-GaAs-Substrate zur Herstellung hocheffizienter Bauelemente nutzen«, erklärt Carmine Pellegrino, Projektleiter am Fraunhofer ISE. »Dabei sind sie deutlich kostengünstiger als InP und lassen sich ohne Einschränkungen auf Wafer mit einem Durchmesser von bis zu 8 Zoll skalieren.«

Indiumphosphid auf Galliumarsenid aufzubringen ist herausfordernd, da während des Wachstums des Indiumphosphids Defekte auftreten, die die Leistungsfähigkeit des fertigen Halbleiterbauelements beeinträchtigen können. Die Wissenschaftler konnten dies vermeiden, indem sie eine Reihe von „metamorphen Pufferschichten“ einbauten und den vollständig gewachsenen InP-auf-GaAs-Wafer einem speziellen chemisch-mechanischen Polierschritt unterzogen. Danach glänzen die Wafer, haben eine sehr geringe Oberflächenrauheit und eine Defektdichte von unter 5*10⁶ cm^-2.

Die Forscher testeten die Werkstoffqualität und Leistungsfähigkeit der neuen InP-auf-GaAs-Wafer und verglichen sie mit Standard-InP-Substraten. »Die Ergebnisse sind äußerst vielversprechend«, sagt Frank Dimroth, Leiter der Abteilung III-V-Photovoltaik am Fraunhofer ISE. »Photovoltaikzellen, die auf unseren speziell entwickelten Wafern hergestellt wurden, erreichen Leerlaufspannungen, die mit Referenzbauelementen auf etablierten InP-Wafern vergleichbar sind. Die Leistung ist über den gesamten 6-Zoll-Wafer hinweg gleichmäßig, was eine zuverlässige Produktion mit hohen Erträgen ermöglicht.«

Als Teil einer Versuchsreihe stellte das Forschungsteam bislang InP-auf-GaAs-Wafer mit einem Durchmesser von 4 und 6 Zoll her, wobei für einen künftigen Übergang zu 8 Zoll keine Hindernisse zu erwarten sind. Klassische InP-Substrate sind hingegen derzeit in Größen von 2 bis 4 Zoll erhältlich, eine 6-Zoll-Version ist erst seit kurzem verfügbar. Das liegt daran, dass Galliumarsenid-Substrate robuster sind und Formate mit einem Durchmesser von bis zu 8 Zoll in der Halbleiterindustrie bereits gut etabliert sind. Die höhere Stabilität von Galliumarsenid ermöglicht zudem die Herstellung dünnerer Wafer, wodurch weniger Material verbraucht wird und so zusätzlich Kosten eingespart werden können.

»Unsere Technologie profitiert natürlich davon, dass Galliumarsenid als Basis dient«, ergänzt Carmine Pellegrino. »Die Produktionskosten der neuen Substrate sind deutlich niedriger als die von klassischen Indiumphosphid-Wafern. Nach ersten Berechnungen liegt das Einsparpotenzial in der Massenproduktion bei bis zu 80 Prozent. Außerdem umgehen wir mit unserem Ansatz die Lieferengpässe bei Indiumphosphid.«