FETs aus nichtpolaren kubischen III-Nitrid Nanostrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieser Arbeit war die Herstellung und Untersuchung von Heterostruktur-Feldeffekt Transistoren ((HFETs) auf Basis kubischer Nitride (GaN und AlGaN). Neben der Molekularstrahlepitaxie von kubischen Nitriden, die schon in früheren Arbeiten gut untersucht war, erforderte die Realisierung von HFET Bauelementen neue Lösungen verschiedener Probleme wie z.B. den Aufbau des Bauelementfertigungsprozesses, der Realisierung von der elektrischen Entkopplung des Bauelements vom Substrat und der Untersuchung verschiedener Metalle für die Anwendung als Source, Drain und Gate Kontakte. Zur elektrischen Bauelementisolierung wurden zwei Typen von Substraten zur Epitaxie kubischer AlGaN/GaN Heterostrukturen untersucht. Im ersten Fall wurde karbonisiertes Si mit einer 34 nm dicken 3C-SiC Schicht auf semiisolierendem Si (001) Substrat verwendet. Auf diesen isolierenden Substraten konnten kubische AlGaN/GaN Heterostrukturen hergestellt und HFETs mit normally–off Verhalten fabriziert werden, jedoch waren die kristallinen Eigenschaften der Heterostrukturen nicht ausreichend für die Beobachtung eines ausgeprägten Feldeffektes. Hall-Effektmessungen zeigten, dass all diese Schichten aufgrund der hohen Dislokationsdichte (>1010cm-2) und deren elektrischen Aktivität als Akzeptoren in kubischen GaN p-leitend waren. Im zweiten Fall wurden 200 µm dicke freistehende 3C-SiC (001) Substrate verwendet. Auf diesem Substrat konnten die ersten kubischen AlGaN/GaN HFETs sowohl im „normally on“ als auch im „normally off“ Typ hergestellt werden. Die entsprechende Bauelements- Substratisolierung wurde durch Dreifachimplantation mit Ar+ erreicht. Die erhaltenen Kennlinien sind vergleichbar mit HFETs auf nichtpolaren hexagonalen Substraten. In beiden kubischen HFET Typen wurde jedoch hohe Leckströme sowohl durch das Gate als auch durch das Substrat beobachtet. Aus diesem Grund wurden erfolgreich Untersuchungen zur Reduzierung der Gate Leckstroms an MIS Strukturen durchgeführt, wobei sich das in der MBE Anlage in-situ hergestellte Si3N4 als Isolator mit dem niedrigsten Interfacezuständen erwies. Durch Einfügen von C-dotierten asymmetrischen MQW-Strukturen konnte zusätzlich eine um sechst Größenordnung bessere Substratisolierung erreicht werden, sodass auf die aufwendige 3-fach Ar+ Implantation verzichtet werden kann. Die Ausgangscharakteristiken kubischer AlGaN/GaN wurde mit einem 1D-Poisson Band Diagram Rechner und einer ATLAS Bauelement Simulations Software simmuliert und der Einfluss von Gate- und Buffer Leckstrom gezeigt. Die gemessene Gatespannungsabhängigkeit der Ausgangskennlinien konnten bei Annahme einer homogenen GaN-Schicht (d.h. konstante Dotierung und Elektronen-beweglichkeit) nicht verstanden werden. Wird jedoch ein tiefenabhängiges Dotierprofil sowie eine mit zunehmender Tiefe abnehmende Beweglichkeit angenommen, lässt sich die Wirkung der Gatespannung in den Simulationen gut nachbilden. Die Ursache dieses tiefenabhängigen Dotier- und Beweglichkeitsprofiles dürfte in dem Einfluss und der elektrischen Aktivität von Dislokationen in kubischen Bauelementen zu finden sein. Da in kubischen Nitriden die Dislokationen und Versetzungen in (111) Ebenen liegen, nimmt die Anzahl der Dislokationen Aufgrund eines Annihilationsprozesse mit zunehmender Schichtdicke ab. Diese Dislokationen beeinflussen auch merklich die erhaltenen v-E Kennlinien in kubischen Nitriden vor allem in den GaN Schichten auf karbonisierten Si(001) Substraten in denen die Dislokationsdichte um mindestens eine Größenordnung höhere ist und so die Beobachtung eines ausgeprägtes Feldeffektes (Schaltverhaltens) verhindert. Zusammengefasst wurde in diesem Gemeinschaftsprojekt gezeigt, dass das kubische AlGaN/GaN System prinzipiell als Basis für Heterofeldeffekttransitoren ohne parasitäre piezoelektrische und Polarisationseffekte geeignet ist. Mit Hilfe derselben Technologie konnten sowohl normally-on als auch normally-off Bauelemente realisiert werden, die in ihren elektrischen Eigenschaften vergleichbar mit anderen nicht-polaren hexagonalen GaN HFETs sind. Der Einfluss der Versetzungen auf die Performance der elektrischen Eigenschaften ist jedoch sehr ausgeprägt. Für künftige verbesserte Bauelemente ist deshalb eine deutliche Reduzierung der Dislokationsdichte in kubischen Nitriden notwendig. Ein möglicher Weg dazu ist die Nanoheteroepitaxie (NHE) auf nanostrukturierten 3C-SiC Substraten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Comparative Study of 3C-GaN Grown on Semi-insulating 3C-SiC/Si(100) Substrates. Materials Science Forum 615-617, 943 (2009)
E. Tschumak, K. Tonisch, J. Pezoldt and D.J. As
- On the vertical design of cubic AlGaN/GaN HEMTs. Proc. 54th IWK, pp. 205-206, TU Ilmenau, October 2009
R. Granzner, M. Zentgraf, and F. Schwierz
- Cubic AlGaN/GaN Hetero-field effect tranistors with normally on and normally off operation. MRS Symp. Proc. Vol. 1202, I04-08 (2010)
D.J. As, E. Tschumak, F. Niebelschütz, W. Jatal, J. Pezoldt, R. Granzner, F. Schwierz, K. Lischka
- Nonpolar cubic AlGaN/GaN HFETs on Ar+ implanted 3C-SiC (001). Appl. Phys. Lett. 96, 253501 (2010)
E. Tschumak, R. Granzer, J.K.N. Lindner, F. Schwierz, K. Lischka, H. Nagasawa, M. Abe, and D.J. As
- Resonant MEMS based on cubic GaN layers. phys. status solidi (c) 7, 116 (2010)
F. Niebelschütz, K. Brueckner, W. Jatal, E. Tschumak, D.J. As, M.A. Hein, J. Pezoldt
- AlGaN/GaN-heterostructures on (111) 3C-SiC/Si pseudosubstrates for high frequency applications. Thin Solid Films 520, 491 (2011)
K. Tonisch, W. Jatal, F. Niebelschuetz, H. Romanus, U. Baumann, F. Schwierz, J. Pezoldt
- Band offsets in cubic GaN/AlN superlattices. Phys. Rev. B 83, 195301 (2011)
C. Mietze, M. Landmann, E. Rauls, H. Machhadani, S. Sakr, M. Tchernycheva, F.H. Julien, W.G. Schmidt, K. Lischka and D.J. As
- On The Coexistence of Two-Dimensional Electron and Hole Gases in GaN-based Heterostructures. Proc. 17th APCOM, pp. 126-129, 2011
R. Granzner, N. Mustafa, J. Racko, M. Mikolášek, J. Breza, and F. Schwierz
- Vertical design of cubic GaN-based high electron mobility transistors. J. Appl. Phys. 110, 114501 (2011)
R. Granzner, E. Tschumak, M. Kittler, K. Tonisch, W. Jatal, J. Pezoldt, D.J. As and F. Schwierz
- Free carrier accumulation at cubic AlGaN/GaN heterojunction. Appl. Phys. Lett 100, 142108 (2012)
Q.Y. Wei, T. Li, J.Y. Huang, F.A. Ponce, E. Tschumak, A. Zado, D.J. As
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.3700968) - The Coexistence of Two-Dimensional Electron and Hole Gases in GaN-based Heterostructures. J. Appl. Phys. 111, 044512 (2012)
N. Al Mustafa, R. Granzner, V. M. Polyakov, J. Racko, M. Mikolášek, J. Breza, and F. Schwierz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.3688219)
