| License: Creative Commons Attribution 4.0 PDF - Accepted Version (14MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-416772
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.41677
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 17 February 2022 |
| Referee: | Prof. Dr. David Díaz Díaz |
| Date of exam: | 17 February 2020 |
| Institutions: | Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie Chemistry and Pharmacy > Institut für Organische Chemie > Arbeitskreis Prof. Dr. David Díaz Díaz |
| Keywords: | Galliumnitrid, Gallium, Nitride, Etching, Solution, KOH, Roughening, LED |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 540 Chemistry & allied sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 41677 |
Abstract (English)
Gallium nitride (GaN) is the key material for the production of blue and white light emitting diodes (LEDs). An important step during their production is the creation of a rough GaN surface. Thereby, light emission efficiency is significantly increased. Effectively, total internal reflection of generated photons on the flat interface between GaN and air is minimized by surface roughening. A ...
Abstract (English)
Gallium nitride (GaN) is the key material for the production of blue and white light emitting diodes (LEDs). An important step during their production is the creation of a rough GaN surface. Thereby, light emission efficiency is significantly increased. Effectively, total internal reflection of generated photons on the flat interface between GaN and air is minimized by surface roughening. A common approach for the development of a rough surface is wet-chemical etching in aqueous KOH solution at elevated temperature. This process has been discussed thoroughly in literature for the last 30 years and still has not yet been entirely understood. A precise understanding of the GaN etch reaction in KOH would enable a more controllable process and thereby a more efficient enhancement of the light extraction from the LEDs.
This work focuses on the characterization of the GaN etch reaction in KOH solution. Thereby, the polar GaN N-face is the key material, which is revealed after epitaxial GaN growth by laser lift-off (LLO). To this day, wet-chemical roughening represents a very attractive alternative for the often applied dry-chemical roughening. Utilizing the intrinsic endeavor of N-face GaN towards the development of surface roughness during etching by formation of hexagonal pyramids, much higher cost efficiency can be achieved compared to a time- and material-intensive combination of photolithography and plasma etching.
After an introduction into the properties of group-III nitrides as well as the industrial standard for LED processing, the state of knowledge prior to the current study is extensively reviewed.
In chapter 4, the employed experimental materials and methods are presented in detail. As a fundamental tool for the high-precision analysis of the time-resolved GaN etch rate (ER), a novel method is developed utilizing inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy (ICP-OES). The method is based on the measurement of dissolved Ga in KOH solution and overcomes major disadvantages of previously reported methods for ER determination. Compared to literature-known methods, the most important advantage of the ICP-OES method is that sample taking can be carried out without having to interrupt the etch process. Thereby, no surface oxidation can occur in etch process disruptions, that would lead to a resulting distortion of the subsequent etch step due to a higher dissolution rate of the respective GaOx species. Also, the average GaN removal is determined regardless of surface roughness. The negative influence of surface roughness on the precision or profilometric methods is thereby circumvented.
The etch kinetics of multiple epitaxial GaN layer stacks are analyzed in chapter 5 in a time-resolved manner. This experiment is enabled for the first time by the developed ICP-OES method. Thereby, the influence of both epitaxial growth conditions and approaches towards crystal defect density reduction on the ER of individual epitaxial layers are clarified. Based on that, the interaction between dislocation defects and the individual positions of surface structures is investigated.
In chapter 6, two different approaches for pretreatment of GaN wafers are presented for the removal of surface damage caused by LLO. Mechanical polishing is proposed to be an effective tool to increase the etch reproducibility during industrial processing.
The influence of process-parameters (i.e., KOH concentration, temperature and solution agitation) on the etch behavior of the applied GaN material system is examined in chapter 7.
An in-depth investigation of the molecular etch reaction is presented in chapter 8 based on the analysis of reactants and reaction products. Also, the root cause for anisotropic etching, which leads to pyramid formation, is explained on the atomic level. Hereby, literature known concepts are further elaborated to create an overall understanding.
The electronic influence on the local ER is finally used in chapter 9 to manipulate the local ER. This novel process will already be patented by the time this thesis is published. The local ER is significantly decreased by electron irradiation on the GaN surface prior to etching. Successful structuring of the GaN surface with point-, line-, circular and individual shapes is presented.
In conclusion, this study creates a better and more precise understanding of the wet-chemical GaN etch process down to the atomic level. Fundamental insight into the etch reaction is presented to achieve a more stable and reproducible etch process. By unprecedented scientific investigations, this work aims towards making light production in the modern world even more efficient than today.
Translation of the abstract (German)
Galliumnitrid (GaN) ist das Schlüsselmaterial zur Herstellung blauer und weißer Leuchtdioden (LEDs). Ein wichtiger Schritt bei ihrer Herstellung ist die Erzeugung einer rauen GaN-Oberfläche. Dadurch wird die Effizienz der Lichtemission signifikant erhöht. Tatsächlich wird die interne Totalreflexion der erzeugten Photonen an der flachen Grenzfläche zwischen GaN und Luft durch Aufrauen der ...
Translation of the abstract (German)
Galliumnitrid (GaN) ist das Schlüsselmaterial zur Herstellung blauer und weißer Leuchtdioden (LEDs). Ein wichtiger Schritt bei ihrer Herstellung ist die Erzeugung einer rauen GaN-Oberfläche. Dadurch wird die Effizienz der Lichtemission signifikant erhöht. Tatsächlich wird die interne Totalreflexion der erzeugten Photonen an der flachen Grenzfläche zwischen GaN und Luft durch Aufrauen der Oberfläche minimiert. Ein üblicher Ansatz zur Entwicklung der Letzteren ist das nasschemische Ätzen in wässriger KOH Lösung bei erhöhter Temperatur. Dieser Prozess wurde in der Literatur in den letzten 30 Jahren eingehend diskutiert und wurde dennoch noch nicht vollständig verstanden. Ein präziseres Verständnis der GaN Ätzreaktion in KOH würde eine kontrolliertere Prozessumgebung und damit eine effizientere Steigerung der Lichtauskopplung aus den LEDs ermöglichen.
Diese Arbeit konzentriert sich auf die Charakterisierung der GaN Ätzreaktion in wässriger KOH Lösung. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der polaren N-face Kristallfacette, die nach epitaktischem GaN Wachstum durch Laser Lift Off (LLO) freigelegt wird. Nasschemisches Aufrauen ist immer noch eine sehr attraktive Alternative zum oft angewendeten trockenchemischen Ätzen. Durch die Nutzung des intrinsischen Bestrebens von N-Face GaN, während des Ätzens eine raue Oberfläche durch Bildung hexagonaler Pyramiden zu entwickeln, kann eine höhere Kosteneffizienz im Vergleich zur zeit- und materialintensiven Kombination von Photolithographie und Plasmaätzen erzielt werden.
Nach einer Einführung in die Eigenschaften der Nitride der 3. Hauptgruppe des Periodensystems sowie in den industriellen Standard der LED Produktion wird der Wissensstand vor Beginn der aktuellen Studie zusammengefasst und eingehend diskutiert.
In Kapitel 4 werden die verwendeten experimentellen Materialien und Methoden detailliert vorgestellt. Als grundlegendes Werkzeug für die hochpräzise Analyse der zeitaufgelösten GaN Ätzrate wird eine neuartige Methode unter Verwendung der induktiv gekoppelten plasmaoptischen Emissionsspektroskopie (ICP-OES) entwickelt. Die Methode basiert auf der Messung gelösten Galliums in der KOH Lösung und überwindet die Hauptnachteile der bisherigen literaturbekannten Methoden zur Bestimmung der GaN Ätzrate. Im Vergleich zu literaturbekannten Methoden ist der wichtigste Nutzen der neuen Methode, dass der Ätzprozess für eine Probennahme zur ICP-OES Analyse nicht unterbrochen werden muss. In Ätzpausen kann es somit nicht zur Anoxidation der Oberfläche und einer resultierenden Verfälschung des nachfolgenden Prozessschrittes kommen. Außerdem wird unabhängig von der Oberflächenrauigkeit der durchschnittliche GaN Abtrag bestimmt. Ein negativer Einfluss der Rauigkeit, wie er bei profilometrischen Abtragsmessungen zustande kommt, wird somit wirksam umgangen.
In Kapitel 5 wird die Ätzkinetik verschiedener epitaktischer GaN Schichtstapel zeitaufgelöst analysiert, was durch die neue ICP-OES Methode erstmals ermöglicht wird. Auf diese Weise werden sowohl die Einflüsse der epitaktischen Wachstumsbedingungen als auch von Ansätzen zur Verringerung der Kristalldefektdichte auf die Ätzrate einzelner epitaktischer Schichten aufgeklärt. Darauf aufbauend wird die Wechselwirkung zwischen Versetzungsdefekten und den individuellen Positionen entstehender Ätzstrukturen untersucht.
In Kapitel 6 werden zwei verschiedene Ansätze zur Vorbehandlung von GaN Wafern vorgestellt, um durch den LLO verursachte Oberflächenschäden zu beseitigen. Das mechanische Polieren von GaN wird als wirksames Werkzeug zur Erhöhung der Ätzreproduzierbarkeit während der industriellen Prozessierung präsentiert.
Der Einfluss der Prozessparameter KOH Konzentration, Temperatur und Umwälzung der Lösung auf das Ätzverhalten des verwendeten Versuchsmaterials wird in Kapitel 7 untersucht.
Die molekulare Ätzreaktion wird in Kapitel 8 anhand der Analyse von Reaktanden und Reaktionsprodukten aufgeklärt. Auch die Ursache für das anisotrope Ätzen, das zur Pyramidenbildung führt, wird auf atomarer Ebene erklärt. Hierbei werden literaturbekannte Konzepte weiterentwickelt, um ein umfassendes Bild zu generieren.
Der elektronische Einfluss auf die lokale Ätzrate wird schließlich in Kapitel 9 verwendet, um die Ätzrate zu manipulieren. In einem neuartigen und bei Veröffentlichung derArbeit bereits patentierten Prozess wird durch Elektronenbestrahlung der GaN Oberfläche vor dem Ätzen die lokale Ätzrate signifikant verringert. Es wird die erfolgreiche Strukturierung der GaN Oberfläche mit Punkt-, Linien-, Kreis- und individuellen Formen vorgestellt.
Zusammenfassend schafft diese Studie ein besseres und präziseres Verständnis des nasschemischen GaN Ätzprozesses bis auf atomare Ebene. Es werden grundlegende Einblicke in die Ätzreaktion generiert, um einen stabileren und reproduzierbareren Ätzprozess zu erzielen. Die Arbeit zielt durch erstmalig durchgeführte Experimente darauf ab, die Lichtproduktion in der modernen Welt durch Anwendung neuester wissenschaftlicher Untersuchungen noch effizienter als heute zu gestalten.
Metadata last modified: 17 Feb 2022 06:48
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