Planare und Vertikale Homo- und Heteroübergänge für Innovative GaN-basierte Leistungsbauelemente

Die Entwicklung der Gruppe III-Nitride hat eine neue Ära in der Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik eingeleitet. Unter anderem durch den Übergang zu regenerativen Energiequellen und zur Elektromobilitiät werden effizientere, kompaktere und wirtschaftlichere Energiewandlungssysteme benötigt. Das große Potenzial der GaN-Leistungselektronik wird durch eine hohe Baliga Figure of Merit eindrucksvoll belegt.Aktuelles Arbeitspferd ist der laterale AlGaN/GaN-HFET, der bis 600 V kommerzialisiert ist. Im Allgemeinen wird jedoch eine vertikale Bauelementgeometrie aufgrund signifikanter Skalierungsvorteile und verbesserter Isolationseigenschaften bevorzugt. Elektrische Feldstärkespitzen liegen im Volumen, wodurch vertikale Bauelemente weniger anfällig für oberflächenbedingte Durchschläge und parasitäre Effekte wie Current Collapse sind. Vertikale Leistungsbauelemente sind auf 3D-Feldformungs- und Stromführungsstrukturen (Heterostrukturen) angewiesen, um niedrige Leckströme und hohe Durchbruchspannungen zu gewährleisten. Da Dotierstoff-Implantation und -Diffusion in GaN nicht einsetzbar sind, werden Selective-Area Growth (SAG)-Prozesse benötigt. SAG hat bereits vielversprechende Ergebnisse gezeigt, der technologische Reifegrad ist für eine Kommerzialisierung jedoch nicht ausreichend. Problematisch ist die nicht optimale Materialqualität, insbesondere in Bezug auf Kristalldefekte und defektreiche Grenzflächen. Neben den hohen Kosten von nativen GaN-Substraten verhindern mangelnde Kenntnisse von Mikrostruktur und Defekteigenschaften sowie unausgereifte Herstellungsprozesse die Entwicklung konkurrenzfähiger vertikaler GaN-Bauelemente.In diesem Projekt wird eine systematische Analyse von Wachstums- und Prozess-bedingten Defekten und der mikroskopischen Eigenschaften von p-n-Übergängen und Heteroübergängen durchgeführt. Die Compound Semiconductor Technology (CST, RWTH Aachen) wird SAG-Prozesse einsetzen, um planare und vertikale p-n-Übergänge und Heteroübergänge in spezifischen Teststrukturen zu implementieren. Die Halbleiterphysik (OvGU Magdeburg) wird auf dieser Basis detaillierte mikro- und nanoskopische Studien mittels (Raster-)Transmissions-elektronenmikroskopie ((S)TEM), Kathodolumineszenz (STEM-CL)-Spektroskopie, "elektronen-strahlinduziertem Strom" (STEM-EBIC)-Messungen sowie Time-of-Flight-Analysen durchführen, um Defekte zu identifizieren, Ladungsträger- und Exzitonentransport/-dynamik zu charakterisieren und diese mit elektrischen Daten und Wachstums-/Prozessbedingungen zu verknüpfen. Dies, ergänzt durch physikalische Modellierung, wird ein tieferes Verständnis der Auswirkungen von Defekten und Prozessen auf die makroskopischen Material-, Grenzflächen- und Bauelementeigenschaften erlauben und zu neuen Strategien zur Herstellung von Leistungsbauelementen führen. Schließlich werden verbesserte Junction-Barrier-Schottky-Dioden (JBS), Vertical-Channel-Junction-FET (vc-JFET) oder Current-Aperture-Vertical-Electron-Transistoren (CAVET) demonstriert.

The development of group III nitrides has started a new era of high-frequency and high-power electronics. With the surge in regenerative energy sources, electric vehicles, data centres and many more mobile and energy-hungry applications, more efficient, compact and economical power conversion systems are required. In this context, a superior Baliga Figure of Merit is one factor, which promises significant potential for GaN-based power electronics (PE).Its workhorse is the lateral AlGaN/GaN HFET, which has reached commercial maturity in the 600 V regime. Generally, the vertical device geometry is preferred due to significant scaling benefits (as the maximum operating voltage can be scaled without compromising wafer area) and improved isolation properties. Electric field peaks are buried in the bulk, rendering vertical devices less prone to surface-related breakdown and parasitic effects like current collapse. Vertical power devices rely on specific types of 3D field-shaping and current-guiding (hetero)structures to ensure low leakage currents and high breakdown voltages. However, the failure of dopant implantation and diffusion processes in GaN leaves selected-area growth (SAG) as the most viable option. SAG has already yielded promising results, but a still relatively immature state is preventing the commercialization of vertical PE devices based on GaN. Material issues, especially linked to defects and non-ideal interfaces, are far from being solved. In addition to the high cost of native GaN substrates, a lack of knowledge of microstructure and defect characteristics and immature fabrication processes have prevented the development of a viable vertical GaN device technology.In this project, a systematic analysis of growth- and process-related defects and microscopic properties of p-n junctions and heterojunctions will be conducted. Compound Semiconductor Technology (CST) of RWTH Aachen University will employ SAG processes to create planar and vertical p-n junctions and heterojunctions in specific test structures for electrical and microscopic characterization. The Semiconductor Physics group at OvGU Magdeburg will perform detailed micro- and nanoscopic studies via (scanning) transmission electron microscopy ((S)TEM), cathodoluminescence (STEM-CL) spectroscopy, electron beam induced current (STEM-EBIC) measurements as well as time-of-flight transport analysis to identify defects, characterize carrier and exciton transport/dynamics and link these to electrical data and growth/processing conditions. This, complemented by physical modelling, will generate a deep understanding of the impact of defects and processes on the macroscopic material, interface and device properties and lead to novel strategies to fabricate PE devices. Finally, improved junction barrier Schottky diodes (JBS), vertical-channel junction field effect transistors (vc-JFET) or current aperture vertical electron transistors (CAVET) will be demonstrated.