Sie sind klein, robust und energieeffizient: Leuchtdioden gehören längst zu unserem Alltag. Man findet sie in Taschenlampen, Ampeln oder Deckenleuchten. Es sind Halbleiterkristalle wie Galliumnitrid (GaN), die Licht ins Dunkel bringen. Die chemische Verbindung aus Gallium und Stickstoff sorgt für blaues und sogar weißes Licht.

Wundermaterial der Zukunft

Doch in dem Kristallmaterial steckt deutlich mehr Potenzial: So könnte es zum Beispiel zukünftig die bisherige Nummer eins der Halbleitermaterialien, Silizium, für optische und elektrische Anwendungen in der Leistungselektronik und im Hochfrequenzbereich ersetzen. »Mit Galliumnitrid steht ein Halbleiter zur Verfügung, der durch sehr gute physikalische Eigenschaften überzeugt, die sich in niedrigen Verlusten, hohem Wirkungsgrad und damit hoher Energieeffizienz widerspiegeln. Deshalb ist Galliumnitrid für eine Reihe von Anwendungen äußerst interessant«, erklärt Dr. Jochen Friedrich, stellvertretender Sprecher des Fraunhofer- Technologiezentrums Halbleitermaterialien THM und Leiter der Kristallzüchtung am Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen. Die Leistungselektronik für hocheffiziente, verlustarme Bauelemente in der Photovoltaik, im Mobilfunk oder für Elektround Hybridautos setzt zunehmend auf den neuen Werkstoff.

Herausforderung Kristallstruktur

Das Problem: Für solche Bauelemente werden große GaN-Einkristalle mit möglichst fehlerfreier Kristallstruktur benötigt. Doch die lassen sich mit der klassischen Kristall- Schmelzzüchtung nicht herstellen. GaN muss aus der Gasphase oder aus einer galliumoder stickstoffhaltigen Lösung gezüchtet werden. Diese Verfahren sind sehr aufwändig und die abschließende GaN-Ausbeute ist begrenzt: Es entstehen Kristalle mit einem Gewicht von nur einigen hundert Gramm. Das macht den Wunderwerkstoff noch extrem teuer. Bezogen aufs Gewicht ist ein GaN-Substrat – mit einem Durchmesser von 5 cm – fast zehnmal teurer als Gold. Für die Beleuchtungsindustrie ist das alles kein Problem, denn die LEDs müssen weniger Leistung bringen, die Kristalle dürfen fehlerhaft sein. Anders sieht es für extrem helle Leuchtdioden oder spezielle Bauelemente in der Leistungselektronik aus: Dort reicht die vergleichsweise geringe Anzahl von tausend Defekten pro cm² in der aktiven Schicht aus und schon sind die Bauteile weniger leistungsfähig.

HVPE-Verfahren als Mittel zum Erfolg

Deshalb arbeiten Wissenschaftler des Fraunhofer THM und IISB gemeinsam mit Experten der Freiberger Compound Materials GmbH an einer neuen Technologie: Mithilfe des Hydride- Vapor-Phase-Epitaxy-Verfahrens (HVPE) wollen die Forscher das bereits bestehende Herstellungsverfahren für GaN-Kristalle verbessern. Die Methode basiert auf gasförmigem Chlorwasserstoff, der sich mit flüssigem Gallium zu gasförmigem Galliumchlorid verbindet. In einer Reaktionszone wird das Galliumchlorid bei Temperaturen zwischen 1000 ºC und 1100 ºC in die Nähe eines Galliumnitrid- Kristallkeims gebracht. Gleichzeitig strömt Ammoniak ein, das sich mit dem Galliumchlorid zu kristallinem Galliumnitrid verbindet. Der Kristall wächst und erreicht unter optimalen Bedingungen einen Durchmesser von 5 cm und eine Dicke von bis zu einigen Millimetern. Noch ist der Aufwand groß, die Fraunhofer-Wissenschaftler sind jedoch zuversichtlich, das gesamte HVPESystem so zu verändern, dass GaN-Kristalle deutlich kostengünstiger hergestellt werden können.

Knapp drei Jahre haben die Kristallzüchtungsexperten aus Freiberg im Rahmen ihres Projekts Zeit, um die Materialeffizienz bei der HVPE-Züchtung von GaN zu steigern – damit GaN langfristig billiger als Gold wird.

Kontakt:

Dr. Jochen Friedrich
Telefon +49 9131 761-269
jochen.friedrich(at)iisb.fraunhofer.de

Dr. Bernd Fischer
Telefon +49 9131 761-106
bernd.fischer(at)iisb.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB
Schottkystraße 10
91058 Erlangen
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