Diese neuen Wafer können klassisches Indiumphosphid in einer Vielzahl von Anwendungen ersetzen und bieten einen skalierbaren Weg zu geringeren Kosten. Das Forschungsteam entwickelte ein Verfahren, um eine dünne Schicht aus hochqualitativem InP auf GaAs aufzubringen. Nach einer speziellen Oberflächenbehandlung werden diese Wafer für die Epitaxie breitgestellt, sodass Kunden direkt III-V-Strukturen aufwachsen und Halbleiterbauelemente auf InP-Basis herstellen können.
InP-auf-GaAs-Substrate kostengünstiger als InP
„Unternehmen können unsere neuen InP-auf-GaAs-Substrate zur Herstellung hocheffizienter Bauelemente nutzen“, sagt Carmine Pellegrino, Projektleiter am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE). „Dabei sind sie deutlich kostengünstiger als InP und lassen sich ohne Einschränkungen auf Wafer mit einem Durchmesser von bis zu 8ʺ 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 chemisch-mechanischen Polierschritt unterzogen. Danach glänzen die Wafer, haben eine sehr geringe Oberflächenrauheit und eine Defektdichte unter 5×106 cm-2.
Neues Wafermaterial zeigt gleiche Leistung
Die Forscher testeten die Werkstoffqualität und Leistungsfähigkeit der neuen InP-auf-GaAs-Wafer und verglichen sie mit Standard-InP-Substraten. „Die Ergebnisse sind vielversprechend“, sagt Frank Dimroth, Leiter der Abteilung III-V-Photovoltaik am Fraunhofer ISE. „Photovoltaikzellen, die auf unseren Wafern hergestellt wurden, erreichen Leerlaufspannungen, die mit Referenzbauelementen auf etablierten InP-Wafern vergleichbar sind. Die Leistung ist über den gesamten 6ʺ-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 6ʺ her, wobei für einen künftigen Übergang zu 8ʺ keine Hindernisse zu erwarten sind. Klassische InP-Substrate sind hingegen derzeit in Größen von 2 bis 4ʺ erhältlich, eine 6ʺ-Version ist erst seit kurzem verfügbar. Das liegt daran, dass Galliumarsenid-Substrate robuster sind und Formate mit einem Durchmesser von bis zu 8ʺ 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 davon, dass Galliumarsenid als Basis dient“, ergänzt 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 %. Außerdem umgehen wir mit unserem Ansatz die Lieferengpässe bei Indiumphosphid.“