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„Vom Rohstoff bis zum Wafer hat Freiberger im Vergleich zur Konkurrenz eine hohe Produktionsgeschwindigkeit. Unsere Technologie ist auf Effizienz, Stabilität und Qualität ausgelegt – dies wird ermöglicht durch die enge Verbindung zwischen Forschung/Entwicklung und Fertigung.“

(Michael Rosch, Ingenieur Kristallzüchtung)

Freiberger ist der einzige Anbieter von GaAs Wafern aus Kristallen, die nach zwei unterschiedlichen Technologien hergestellt werden. Da das Material, je nach Züchtungstechnologie, andere Eigenschaften aufweist, können wir jeweils den Prozess auswählen, der den technischen Anforderungen des Kunden am besten gerecht wird. Unser VGF (Vertical Gradient Freeze) - Prozess liefert versetzungsarmes Material, das sich besonders gut für die Herstellung von Bauelementen mit hoher Stromdichte (HBTs, LEDs, Laser usw.) eignet, während das nach der LEC-Technologie (Liquid Encapsulated Czochralski) hergestellte Material bevorzugt für großflächige Bauelemente mit geringerer Stromdichte (ionenimplantierte MESFETs, pHEMTs usw.) eingesetzt werden kann.

VGF Prozess

In die VGF Anlage wird ein mit polykristallinem GaAs und Boroxid gefüllter pBN-Tiegel (pyrolytisches Bornitrid) eingesetzt. Bei der Anlage handelt es sich um einen Ofen, der aus mehreren getrennt steuerbaren Heizzonen besteht. Dadurch können 2 nahezu temperatur-konstante Zonen über und unterhalb der Schmelztemperatur und ein kontrollierter (kleiner) Temperaturgradient zwischen den Zonen erzeugt werden. Der Züchtungsprozess, der meistens durch einen im unteren Teil des Tiegels fixierten Keim mit <100> Orientierung eingeleitet wird, setzt sich dann mit einer sich nach oben bewegenden Erstarrungsfront fort. Das Temperaturfeld wird durch die genaue Steuerung des Heizsystems eingestellt, wodurch die vorgegebene Wachstumsgeschwindigkeit und Phasengrenzform gewährleistet werden. Der niedrige axiale Temperaturgradient von typischerweise kleiner 5 K/cm ermöglicht es, Kristalle mit sehr niedriger Versetzungsdichte zu züchten. 

LEC Prozess

Die LEC Anlage besteht aus einem wassergekühlten Hochdruckbehälter mit druckdichten Durchführungen zur Translation und Rotation von Kristall bzw. Tiegel, in den ein Graphitheizersystem mit Wärmeisolierung installiert ist. Der Tiegel aus pyrolytischem Bornitrid (pBN) enthält die GaAs Schmelze, die mit flüssigem Boroxid abgedeckt ist, um Arsenverluste zu vermeiden. Anhand dieser Methode werden Kristalle mit einem Durchmesser bis zu 150 mm (6 Zoll) gezüchtet. Die Multi-Heizer-Systeme ermöglichen die günstige Einstellung der Erstarrungsfront sowie die Temperaturregelung des aus dem Boroxid herauswachsenden Kristalls; dadurch wird die selektive Verdampfung von As vermieden und die mechanischen Restspannungen im Kristall reduziert. Die Ziehmaschinen sind mit einem Gasflusssystem zur Kontrolle der Kohlenstoff- bzw. Sauerstoffpotentiale und einem vollständig computergesteuerten Prozess- und Durchmesserkontrollsystem ausgestattet. Die Züchtung erfolgt gewöhnlich mit gegenläufig rotierendem Keim (<100> Orientierung) und Tiegel bei einer Wachstumsgeschwindigkeit von 5-10 mm/h in einer Stickstoff- und CO-haltigen Atmosphäre bei einem Druck von mehr als 0,2 MPa.

Tempern

Zwecks Spannungsabbau (nur bei LEC Kristallen), Einstellung der EL2-Konzentration und Verbesserung der makroskopischen und mesoskopischen Homogenität der elektrischen und optischen Eigenschaften werden die Kristalle getempert. Das Tempern beeinflusst außerdem die Größenverteilung und die Anordnung der As-Ausscheidungen.

Kristallanalyse

Nach der Züchtung werden die Kristalle einer umfassenden Charakterisierung unterzogen. Dafür steht Freiberger eine aufwendige Analyse- und Messtechnik zur Verfügung, die es gestattet die Qualität des Materials anhand entsprechender Messwerte zu belegen. Vom Kopf- und Fußende eines jeden Kristalls werden Proben entnommen und für unterschiedliche Analysen vorbereitet. Dies geschieht durch Eintauchen der Probe in geschmolzenes KOH. Dort, wo eine Versetzung die Probenoberfläche durchschneidet, hinterlässt das KOH eine kleine Ätzgrube. Die Dichte dieser Ätzgruben (EPD) ist ein Maß für die strukturelle Perfektion des Kristalls. Mit einem optischen System (EPD scan) wird jede Ätzgrube auf der Probe gezählt. Die elektrischen Parameter der Keime und Fußenden werden ebenfalls für jeden Kristall mit Standard Hall-/van der Pauw-Messungen bestimmt. Außerdem kann der ohmsche Widerstand über den Wafer mit einem COREMA-Gerät ortsaufgelöst und berührungslos gemessen werden.

Verschiedene Parameter in Kombination bestimmen die elektrischen Eigenschaften von GaAs. Die zwei wichtigsten sind die Kohlenstoffkonzentration und EL2-Konzentration (EL2 ist ein elektrisch aktiver intrisischer Punktdefekt: Arsen-auf-Gallium-Antisite). Der Kohlenstoff wird mittels FTIR, lokaler Modenspektroskopie nachgewiesen und EL2 mittels Infrarotabsorptionsspektroskopie. Infrarotabsorptionsspektroskopie und Photolumineszenz dienen auch zur Messung der Verteilung der Dotierstoffe bzw. der Ladungsträger im GaAs.