High-Q-Power-GaN - Entwicklung von Transistoren für die Hochleistungselektronik auf freistehenden defektarmen Galliumnitrid-Substraten

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Ambacher; Professor Dr. Rüdiger Quay
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279952854

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, Hochleistungstransistoren für Spannungswandler auf der Basis von AlGaN/GaN-Strukturen auf defektarmen, freistehenden ammonothermalen GaNSubstraten zu entwickeln. Die Verwendung ammonothermaler GaN-Substrate mit einer sehr geringen Versetzungsdichte ermöglicht die Realisierung von AlGaN/GaNHochleistungstransistoren mit herausragenden elektrischen Eigenschaften, die die materialspezifischen physikalischen Eigenschaften des GaN ausschöpfen. Ein wichtiger Aspekt dieses Antrags soll die Untersuchung des Degradationsverhaltens von AlGaN/GaN-Transistoren bei hohen Spannungen und Strömen sein. Ursache für verringerte Durchbruchsspannungen sind Verunreinigungen oder strukturelle Defekte im GaN, die potentiell als Ladungsträgerhaftstellen wirken und lokalisierte Niveaus in der Bandlücke erzeugen. Viele der Mechanismen zur Erzeugung von Ladungsträgerhaftstellen sind komplex und bislang unvollständig verstanden. Dies liegt daran, dass die Vielfalt und Dichte an Defekten, z.B. Versetzungen und Punktdefekte, in GaNHeterostrukturen aufgrund des epitaktischen Herstellungsverfahrens auf Fremdsubstraten sehr hoch ist. Im Prinzip können sich diese Elektronenhaftstellen an der Oberfläche, in der AlGaNBarrierenschicht, an der AlGaN/GaN-Grenzfläche nahe des zweidimensionalen Elektronengases oder in der GaN-Pufferschicht befinden. In diesem Projekt sollen die Auswirkungen von Defekten auf Parameter wie Leckstrom, Schwellspannung, und Stromtragfähigkeit bei AlGaN/GaN-HEMT Bauelementen untersucht werden.Ein besonderer Untersuchungsgegenstand soll in diesem Zusammenhang der Einfluss derKohlenstoffdotierung auf das Degradationsverhalten von AlGaN/GaN-Transistoren sein. Kohlenstoff fungiert in GaN als Akzeptor, der zur Kompensierung der intrinsischen n-Leitfähigkeit in GaN-Pufferstrukturen von AlGaN/GaN-Transistoren eingesetzt wird. Neuere Erkenntnisse deuten darauf hin, dass bestimmte Degradationen in den GaN-Pufferschichten von AlGaN/GaNHEMTs im Zusammenhang mit Kohlenstoff und einer hohen Versetzungsdichte stehen. Jedoch sind die oben beschriebenen Haftstellen-bezogenen Effekte in heteroepitaktischen AlGaN/GaNHEMT stets überlagert von den Effekten, die von der hohen Anzahl struktureller Defekte herrühren.Mit den ammonothermalen GaN-Substrate können durch homoepitaktisches Wachstum AlGaN/GaN-Leistungstransistoren mit Kohlenstoff-dotierten, isolierenden GaN-Pufferschichten hergestellt werden,werden, die eine sehr geringe Versetzungsdichte aufweisen. Aufgrund dieses Projektansatzes besteht auch erstmals eine Möglichkeit, die Kohlenstoff-bedingten von den Versetzungs-bedingten Effekten in AlGaN/GaNHEMT- Strukturen zu trennen. Hierzu sollen auf Fremdsubstraten (SiC und Si) gewachsene, defektreiche AlGaN/GaN-HEMT-Strukturen und die daraus prozessierten Leistungstransistoren systematisch mit Leistungstransistoren verglichen werden, die auf defektarmen ammonothermalen GaN-Substraten homoepitaktisch gewachsen wurden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen