MOVPE-Wachstum und Charakterisierung dünner (AlxGa1-x)2O3-Filme für Hochleistungsbauelemente

• Antragsteller: Professor Dr. Jan Ingo Flege; Dr. Zbigniew Galazka; Dr. Andreas Popp; Dr. Vedran Vonk
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491040331

Beta-Galliumoxid (β-Ga2O3) bietet aufgrund der deutlich höheren dielektrischen Durchbruchfestigkeit als die derzeit eingesetzten Materialien vielversprechende Perspektiven für die Hochleistungselektronik. β-Ga2O3-Schichten können zu geringeren Kosten und großflächiger als andere potentielle Materialien und zusätzlich auf Volumenkristallen mit kontrollierter n-Dotierung hergestellt werden. Die Performance von Hochleistungselektronikbauelementen ist direkt proportional zur dritten Potenz der Durchbruchsfeldstärke sowie zur Ladungsträgerbeweglichkeit. Der Einbau von Aluminium in β-Ga2O3 ermöglicht die Feineinstellung seiner Bandlücke und infolgedessen der Durchbruchsfeldstärke. Hierzu ist eine probate Methode notwendig, die das Wachstum hochqualitativer binärer Dünnschichtoxide mit optimierter Bandlücke unter Beibehaltung der sonstigen Materialeigenschaften gewährleistet. Wir verfolgen in diesem Projekt einen neuartigen Ansatz zum Wachstum von dünnen β-(AlxGa1-x)2O3-Schichten (AlGaO) auf gitterangepasstem (100)-orientierten β-Ga2O3, der auf der metallorganischen Gasphasenepitaxie (MOVPE) beruht und Wachstumstemperarturen oberhalb 800°C mit damit verbundener höherer Aluminiumlöslichkeit ermöglicht. Zu diesem Zweck werden wir zunächst Aluminium-dotierte β-Ga2O3-Einkristalle mit minimaler Gitterfehlanpassung zur angestrebten AlGaO-Schicht wachsen. Anschließend wird die MOVPE-basierte Quasi-Homoepitaxie von hochqualitativen AlGaO-Dünnschichten auf diesen Substraten entwickelt und auf Basis ausgeklügelter Materialuntersuchungen optimiert. Dabei nutzen wir Methoden der Atomkraft-, Elektronen- und Photoemissionsmikroskopie, der in situ Röntgen- und Elektronenbeugung, der spektroskopischen Ellipsometrie sowie der Photoelektronenspektroskopie, um detaillierte Erkenntnisse über den Wachstumsmodus, die Morphologie und Zusammensetzung sowie die strukturellen, elektronischen, elektrischen und optischen Eigenschaften der AlGaO-Dünnschichten zu erhalten. Insbesondere werden die limitierenden Faktoren für die Aluminiumverteilung und den maximal möglichen -einbau ohne Phasenseparation in β-Ga2O3 bestimmt. Außerdem werden wir die Möglichkeiten des Bandlücken- und Strain-Engineerings im AlGaO-Materialsystem ausloten, die Oberflächenmorphologie sowie die Grenzfläche zwischen AlGaO-Schicht und β-Ga2O3-Substrat untersuchen sowie elektrische und spektroskopische Analysen zum Verständnis der Defektbildung und zur Rolle von Verunreinigungen durchführen.Unsere Strategie gliedert sich wie folgt: (1) Präparation von Aluminium-dotierten (bis zu 15%) β-Ga2O3-Kristallen (bis zu 2 Zoll) als Substrate für die nachfolgende Quasi-Homoepitaxie von AlGaO-Dünnschichten und Charakterisierung der hergestellten Schichten, um (2) das Wachstum zu optimieren und (3) die anwendungsspezifischen Eigenschaften zu evaluieren. Insbesondere fokussiert das Projekt auf den maximal erreichbaren Aluminiumanteil in den AlGaO-Schichten, der zur höchstmöglichen Bandlücke und Durchbruchfeldstärke führt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen