Substrate für die Nitridepitaxie

Im Wesentlichen bieten sich für hexagonale Nitride zwei Substratmaterialien an: Einmal SiC, das in Gitterkonstante und Ausdehnungskoeffizient gut an $AlN$ angepaßt ist, und viel bessere Wärmeleitfähigkeit & Wärmeeinkopplung als Saphir (vgl. Wärmeleitfähigkeit und Bandlücke in Tab. 2.2), das andere Substrat der Wahl, bietet. Leider kostet ein marktüblicher $SiC$ 2'' Wafer z.B. bei Cree Research Inc. in der Größenordnung von 2000 Dollar.

Saphir dagegen ist rund zehnmal billiger als $SiC$ aber schlecht angepaßt in seiner Gitterkonstante. Dieses Problem ist über eine Nitridifizierung prinzipiell beherrschbar, bei der sich die $Al_{2}O_{3}$-Oberfläche zu einer $AlN$-Oberfläche umwandelt. Dabei führt die Ersetzung von $O$ durch $N$ zur einer Umwandlung von oktaedrischen zu tetraedrischen $Al$-Gitterplätzen und resultiert in einer $30^{\circ}$-Rotation der beiden Kristallgitter zueinander. Nitride nukleieren auf einem so nitridifizierten Substrat in Kristallkeimen mit $\vec{c}$-Achse parallel zur Wachstumsrichtung, die kolumnar zu Schichten mit deutlichen verbesserten optischen und morphologischen Eigenschaften auswachsen (z.B. [Grandjean et al., 1997]).

Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (s. Tab. 2.2) sind allerdings sehr problematisch für die $AlN$/$GaN$-Epitaxie, da beim Abkühlen nach vollendeter Epitaxie das Substrat kompressiv auf die Epitaxieschicht wirkt. Aufgrund der größeren Bandlücke koppelt Wärme in Saphir schlechter ein als in $SiC$, was bei beschränkter Heizleistung zu einer Limitierung der Wachstumstemperatur führen kann.

Verwendung fanden Saphir $(0001)$-Substrate von Union Carbide, während das $6H-SiC$ mit $3.5^{\circ}$ Verkippung zu $(0001)$ vom Institut für Werkstoffwissenschaften VI der Universität Erlangen zur Verfügung gestellt wurde.