Einfluss von Kohlenstoff auf die elektrischen, optischen und strukturellen Eigenschaften von GaN

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Mikolajick
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 348524434

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ausgangspunkt des Projektes war es zu untersuchen, ob Kohlenstoff als flacher Akzeptor in Galliumnitrid (GaN) gewachsen mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) agieren kann. MBE bietet die Möglichkeit, hochreines GaN als hervorragendes Referenzsystem für nachfolgende Dotierversuche zu etablieren. Potentielle Akzeptoreigenschaften von Kohlenstoff wurden in temperaturabhängigen Transport- und Photolumineszenzmessungen untersucht, während die atomare Kohlenstoffkonzentration mittels elementspezifischen Analysen verifiziert wurde. Im Bereich der Kohlenstoffdotierung bis 1e18cm^-3 konnte keine p-Leitfähigkeit bei und unter 300K nachgewiesen werden. Dennoch konnte gezeigt werden, dass Kohlenstoff in der Lage ist, unbeabichtigte Donatoren in GaN zu kompensieren. Ein Musterbeispiel hierfür ist die Unterdrückung von parasitären Strompfaden an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und MBE-Material, welche von der inhärenten Anwesenheit von Siliziumanhaftungen an der Substratoberfläche stammen. Diese parasitäre Leitfähigkeit schadet der Leistungsfähigkeit lateraler Bauelemente, da sie z.B. ein Ausschalten von Feldeffekttransistoren (FETs) verhindert. Sie kann in Schichtstapeln gewachsen auf undotierten Substraten durch Kohlenstoff kompensiert werden. Signaturen Akzeptor-gebundener Exzitonen nahe der Bandkante von GaN um 3.4eV, welche auf Kohlenstoff zurückzuführen sind, konnten in Photolumineszenzuntersuchungen oberhalb 15K ebenfalls nicht nachgewiesen werden. Unbeachtet davon trägt Kohlenstoff in GaN aufgrund seiner Eigenschaft als tiefer Akzeptor zur sogenannten gelben Lumineszenz, einer Emissionsbande um 2.2eV, bei, welche seit Jahrzehnten Im Blickpunkt der Forschung an GaN stand und noch steht. Sogar in hochreinem Material ohne nachweisbaren Kohlenstoffgehalt scheinen ebenfalls tiefe Akzeptoren zu existieren, welcher zur gelben Lumineszenz beiträgt und deshalb nicht auf Kohlenstoff zurückgeführt werden können. Banddiagrammberechnungen von GaN/AlGaN-Heterostrukturen als auch das Schaltverhalten von lateralen FETs belegen, dass voraussichtlich diese tiefen Akzeptoren das Ferminiveau in hochreinem GaN tief innerhalb der Bandlücke verankern. All unsere Ergebnisse sollten eine Motivation für weitere experimentelle Untersuchungen tiefer Akzeptoren in GaN darstellen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Carbon-doped MBE GaN: Spectroscopic Insights, Cryst. Growth 514, p. 29-35, 2019
  D. Pohl, V.V. Solovyev, S. Röher, J. Gärtner, I.V. Kukushkin, T. Mikolajick, A. Großer, and S. Schmult, J.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2019.02.041)
• Critical parameters for the presence of a 2DEG in GaN/AlxGa1-xN heterostructures, AIP Advances 9, 125018, 2019
  T. Scheinert, T. Mikolajick, and S. Schmult
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5126917)
• Magneto-optical Confirmation of Landau Level Splitting in a GaN/AlGaN 2DEG grown on Bulk GaN, J. Vac. Sci. Technol. B 37 (2), 021210, 2019
  S. Schmult, V.V. Solovyev, S. Wirth, A. Großer, T. Mikolajick, and I.V. Kukushkin
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1116/1.5088927)
• Heterostruktur einer elektronischen Schaltung mit einem Halbleiterbauelement, DE 10 2018 006 173, issued July 9, 2020
  Stefan Schmult (TU Dresden), Andre Wachowiak (NaMLab gGmbH), Alexander Ruf (NaMLab gGmbH)
  
• Normally-off operation of lateral field-effect transistors fabricated from ultra-pure GaN/AlGaN heterostructures, Phys. Stat. Solidi a 217, 1900732, 2020
  S. Schmult, S. Wirth, V.V. Solovyev, R. Hentschel, A. Wachowiak, T. Scheinert, A. Großer, I.V. Kukushkin and T. Mikolajick
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssa.201900732)
• Quantum and transport lifetimes in optically-induced GaN/AlGaN 2DEGs grown on bulk GaN, J. Vac. Sci. Technol. B 38, 042203, 2020
  Luisa Krückeberg, Steffen Wirth, Victor Solovyev, Andreas Großer, Igor Kukushkin, Thomas Mikolajick and Stefan Schmult, J.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1116/1.5145198)
• Light-tunable 2D subband population in a GaN/AlGaN heterostructure, Appl. Phys. Lett. 118 (1), 013101, 2021
  V.V. Solovyev, S. Schmult, L. Krückeberg, A. Großer, T. Mikolajick, and I.V. Kukushkin
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1063/5.0027010)