Heterostructure concepts for group III-nitrides
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden Ergebnisse zur Epitaxie und Prozessierung von HFET- und DHFET-Strukturen mit quaternären Barrieren bzw. Rückseitenbarrieren erzielt, die aktuell den neuesten Stand der Technik auf dem Gebiet des Polarisations-Engineering darstellen. Neben der Untersuchung von verschiedene Abscheidebedingungen, wie dem Reaktordruck, der Gaszusammensetzung und der Oberflächentemperatur auf das Wachstum von quaternären AlInGaN-Schichten sind insbesondere das Wachstum von AlInGaN auf AlN- und GaN-Templates untersucht worden. Mittels systematischer Untersuchungen zur Veränderung der Zusammensetzung von AlInGaN konnten die wesentlichen Parameter, wie z. B. die Reaktortemperatur und ihr Einfluss auf den In-Einbau, identifiziert werden. Zusätzlich sind verspannungsabhängige Limitierungen, wie die makroskopische Gitterfehlanpassung oder mikroskopische Verspannungsschwankungen in stark Al-haltigen Schichten als Ursache für einen veränderten In-Einbau ermittelt worden. Die gezielte Einstellung der Zusammensetzung in AlInGaN und damit der Polarisationsdifferenz konnte in n-Kanal-HFET mit 2DEG genutzt werden, um selbstsperrende Transistoren zu realisieren. Multi-Schicht-Barrieren wurden für die Reduzierung parasitärer Widerstände im Transistor erfolgreich eingesetzt, und damit konnten Rekordwerte der Steilheit für selbstsperrenden Transistoren demonstriert werden. Mittels quaternärer Rückseitenbarrieren auf AlN konnte gezeigt werden, dass das Leckstromverhalten in der Mesa-Isolation beeinflusst werden kann. Bei geeigneten Schichtdicken können geringe Ströme erzielt werden, die vergleichbar mit herkömmlichen GaN-Transistoren sind. Die Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von 2DHG an GaN/AlInGaN-Heterostrukturen stellt einen weiten Fortschritt im Bereich der p-Leitfähigkeit in GaN dar. Es konnten sehr hohe Löcherdichten mit Rekord-Beweglichkeiten demonstriert werden. Die 2DHG konnten gezielt in p-Kanal-HFET genutzt werden. Zum ersten Mal konnten Leistungskennzahlen wie z. B. das An-Aus-Verhältnis gezeigt werden, die denen von n-Kanal-Transistoren ähneln,. Die Ergebnisse stellen eine herausragende Basis für neuartige Konzepte wie z. B. die Integration von n- und p-Kanal Transistoren für Logik oder Verstärkerschaltungen dar. Die im Projekt erzielten Ergebnisse geben in ihrer Gesamtheit und Breite den aktuellen Stand der Technik im Bereich polarisationsoptimierter Heterostrukturen für elektronische Bauelemente wieder. Die vorhergesagten beziehungsweise erwarteten Abhängigkeiten der elektrischen Eigenschaften der AlInGaN/GaN bzw. GaN/AlInGaN-Heterostrukturen von der Zusammensetzung der quaternären Barriere konnten bestätigt werden und in ersten Ansätzen gezielt in Bauelementen angewendet werden. Die Verschiebung der Schwellenspannung in den positiven Bereich und der Verbesserung des Leckstromverhaltens in Doppelheterostrukturen sind vielversprechende Ansätze, die gezielt weiter zu untersuchen sind. Branchenzeitschriften wie „Semiconductor Today“ haben unsere Beiträge mehrfach explizit erwähnt, was zusätzlich zur Bekanntheit der Arbeiten beigetragen hat. Eine Veröffentlichung im Journal of Electronic Materials wurde mit dem „Best Paper Award“ ausgezeichnet. Außerdem wurde der Nachwuchswissenschaftler-Preis der Deutschen Gesellschaft für Kristallzüchtung- und Wachstum einem der Projektmitarbeiter (Dipl.-Phys. Ben Reuters) verliehen.
Publications
- “Relaxation and critical strain for maximum In incorporation in AlInGaN on GaN grown by MOVPE“, Journal of Applied Physics 112 (2012) 093524
B. Reuters, M. Finken, A. Wille, B. Holländer, M. Heuken, H. Kalisch, A. Vescan
- “p-Channel Enhancement and Depletion Mode GaN- Based HFETs With Quaternary Backbarriers“, IEEE Transactions on Electron Devices 60 (2013) 3005-3011
H. Hahn, B. Reuters, A. Pooth, B. Holländer, M. Heuken, H. Kalisch, A. Vescan
(See online at https://doi.org/10.1109/TED.2013.2272330) - “Polarization-Engineered Enhancement-Mode High-Electron-Mobility Transistors Using Quaternary AlInGaN Barrier Layers“, Journal of Electronic Materials 42 (2013) 826-832
B. Reuters, A. Wille, N. Ketteniss, H. Hahn, B. Holländer, M. Heuken, H. Kalisch, A. Vescan
(See online at https://doi.org/10.1007/s11664-013-2473-7)
