Untersuchungen zur Herstellung von GaN-basierten vertikalen Feldeffekt-Transistorstrukturen für Anwendungen in der Hochleistungselektronik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt haben wir verschiedene Möglichkeiten untersucht, Strom-Blockier-Schichten mit geeigneten Öffnungen für vertikale Transistoren (”Current Aperture Vertical Transistors”, CAVETs) zu realisieren. Neben dem klassischen Ansatz (Trockenätzen der streifenförmigen Öffnungen) wurde in Ulm speziell ein Ansatz auf Basis der selektiven Epitaxie untersucht, der ohne Trockenätzen des Halbleitermaterials auskommt. Wir erzielten eine sehr gute Definition der offenen Streifen bei gleichzeitig homogenen Eigenschaften der benachbarten GaN:Mg-Stromblockierschicht (Current Blocking Layer, CBL). Durch sorgfältige Optimierung des MOVPE-Prozesses konnte ein sehr ebenes und strukturloses Überwachsen mit einer HEMT-Struktur erzielt werden. Mit diesem Ansatz zeigte das Mg-Dotierprofil eine etwas geringere Abruptheit im Vergleich zum Implantationsansatz, der in Freiburg untersucht wurde, aber immer noch abrupt genug für VFET-Anwendungen, insbesondere als Folge der notwendigen Wachstumsunterbrechung zwischen CBL und HEMT-Überwachsen. Für ein ausreichendes elektrisches Blockierverhalten war eine relativ niedrige Mg-Konzentration von [Mg] ≈ 5·10^18 cm^-3 ausreichend. Allerdingswaren die entsprechenden Durchbruchs-Messungen stark von parasitären Durchbrüchen über Oberflächen-Defekte dominiert. Solche Durchbrüche werden im späteren Bauelement nicht erwartet. Mit Zn statt Mg als Dotierstoff für die CBL beobachteten wir ein abrupteres Profil, gleichzeitig ergab sich ein ausreichendes Blockierverhalten bei mittleren Zn-Konzentrationen, so dass Zn als vielversprechender Kandidat für den Einsatz in CAVETs gesehen wird. Leider konnten nur wenige CAVETs mit in Ulm optimierten Mg-dotierten CBLs zu vollständigen Bauelementen prozessiert werden. Obwohl sie etwas verwirrende Ergebnisse zeigten, konnte die Funktionalität der CBL klar bestätigt werden. In Freiburg wurden zwei unterschiedliche CBL-Prozess-Varianten untersucht: Die CBLs wurden entweder mittels selektiver Epitaxie (allerdings in einem anderen Ansatz als in Ulm) oder Mg-Ionen-Implantation hergestellt und deren strukturelle Eigenschaften diskutiert. Anschließend wurden CAVETs nach AlGaN-GaN-Überwachsen hergestellt. Basierend auf den Ergebnissen zur Element-Verteilung, den strukturellen und den elektrischen Eigenschaften sowie der Analyse kompletter Bauelemente konnte geschlussfolgert werden, dass die Ionen-implantierten Strukturen deutlich bessere Bauelement-Ergebnisse im ein- und ausgeschalteten Zustand und der Transfer-Kennlinie zeigen. Insbesondere war der Leckstrom durch die CBL geringer wegen des reduzierten Feld-Durchgriffs als Folge der höheren Mg-Konzentration. Um die Robustheit dieses Ansatzes nachzuweisen, wurde ein gangbarer Weg zur Hochskalierung der Bauelement-Größe entwickelt. Durch Kombination unseres optimalen CAVET-Designs kleiner Transistoren mit dem bewährten Multifinger-Ansatz von lateralen HEMTs wurden großflächige CAVET-Vielfinger-Strukturen realisiert. Verlässliche Ein- und Ausschalt-Eigenschaften und Transfer-Charakteristika demonstrierten an diesen Bauelementen die Eignung des entwickelten Layout zusammen mit der neuen Prozess-Technologie. Die Resultate dieses Projekts haben zu CAVETs mit größten absoluten Strömen von uber 20 A geführt, also einer Steigerung um den Faktor 103 im Vergleich zum bisherigen Stand der Dinge. Gleichzeitig fanden wir, dass die kritische Feldstärke in den größten hergestellten Bauelementen vergleichbar waren mit denen von Transistoren mit kleiner Gate-Weite. Die demonstrierte Puls-Leistungs-Stabilität von fast 1 kW ist nahe am theoretischen Limit von lateralen HEMTs, was die Eignung der CAVET-Technologie zum Einsatz in der Leistungselektronik demonstriert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Investigations of Mg-doped GaN as current-blocking layers in VFET”, 18th European Workshop on Metalorganic Vapour Phase Epitaxy (EWMOVPE XVIII), Vilnius, Lithuania, June 2019
A. Ipsen, J.-P. Scholz, M. Kateb, P. Döring, M. Mikulla, P. Waltereit, L. Kirste, O. Ambacher, and F. Scholz
- “Optimization of Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Regrown n-GaN”, Phys. Status Solidi (b) (2019)
S. Leone, P. Bruckner, L. Kirste, P. Döring, T. Fuchs, S. Müller, M. Prescher, R. Quay, O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssb.201900436) - “Towards vertical HEMTs – HEMTs overgrown on trenched p-GaN”, 33rd DGKK Workshop Epitaxy of III/V Semiconductors, Dresden, Germany, Dec. 2019
J.-P. Scholz, C. Chen, P. Döring, L. Kirste, P. Waltereit, and F. Scholz
- “Growth and Fabrication of Quasi Vertical Current Aperture Vertical Electron Transistor Structures”, Phys. Status Solidi (a) (2020)
P. Döring, R. Driad, S. Leone, S. Müller, P. Waltereit, L. Kirste, V. Polyakov, M. Mikulla, and O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssa.202000379) - “Metal organic chemical vapour deposition regrown large area GaN-on-GaN current aperture vertical electron transistors with high current capability”, Electron. Letters (2021)
P. Döring, R. Driad, R. Reiner, P. Waltereit, M. Mikulla, and O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1049/ell2.12068)
