Übergangsmetall-nitrid-AIGaN Schichten mittels Sputterepitaxie

Um weitere Verbesserungen in der GaN-Leistungselektronik zu
erzielen und neue Bauelementstrukturen sowie Bauelementdesigns
zu ermöglichen, werden wir Übergangsmetallnitride, deren
Legierungen sowie deren Legierungen mit AlN und GaN untersuchen.
Dies mit dem Ziel, eine echte, voll vertikale Elektronik auf
kostengünstigen Siliziumsubstraten und normally-off high electron
mobility Transistoren (HEMT) mit höherer Stromdichte und damit
kompakterer Bauweise als bisher zu ermöglichen. Darüber hinaus
werden wir eine neue Wachstumsmethode anwenden, die gepulste
Sputter-Epitaxie, mit der hochwertige GaN-Schichten bei
Temperaturen unter 800 °C gezüchtet werden können, womit sich ein
großes Potenzial für die Si-CMOS-Integration der GaN-Elektronik
eröffnet. Um neue Materialien zu identifizieren, die geeignet sind,
leitende Pufferschichten für die anschließende GaN-Epitaxie zu
erzielen, sowie neue oder bessere Funktionalitäten von
Bauelementen der Gruppe-III-nitride zu erreichen, werden wir
Übergangsmetallnitride (TM) sowie deren Legierungen mit AlN und
GaN, auf ihr Potenzial für elektronische Anwendungen der Gruppe-IIINitride
untersuchen. Dazu werden zunächst die Eigenschaften von
reinen und legierten Gruppe-IIIb-IVb- und Vb-Nitriden (Cr, V, Ti, Sc,
Nb, Zr, Ta, Hf) mit AlN und in einigen Fällen auch mit GaN untersucht.
Unser Ziel ist eine Datenbasis mit Kristallstruktur, Gitterparametern,
elektrischen und optischen Eigenschaften für eine Vielzahl von
Zusammensetzungen. Im Detail wird das Potenzial dann an dünnen
Schichten für die Anwendung als aktive Schicht in elektronischen
Bauelementen untersucht werden, z.B. zur Polarisationsoptimierung
in HEMTs oder für neuartige HEMT-Strukturen, z.B. mit binären,
hochleitfähigen GaN / ScN / GaN-Kanälen oder als dickere,
hochleitfähige Pufferschicht oder auch als elektrisch leitende,
rissvermeidende Schichten, die echte vertikale, elektronische
Bauelemente auf Si-Substraten ermöglichen soll. Für letztere sind
reine TMN-Legierungen oder TMN-Legierungen mit AlN die
vielversprechendsten Kandidaten, während für aktive Schichten
neben binären TMN-Schichten auch Legierungen mit GaN interessant
sind. Aufgrund der bislang bekannten Eigenschaften der TMNs
erwarten wir, dass sowohl vollständig vertikale Bauelemente auf Si als
auch bessere HEMT-Bauelemente erzielbar sind und zu einer
weiteren Erhöhung der Leistungsdichte von GaN basierten
Bauelementen führen wird.

To further enhance GaN power electronics and enable new device
structures as well as device designs we will investigate transition
metal based nitrides and their alloys as well as their alloys with AlN
and GaN. This with the goal to enable true vertical electronics on low
cost silicon substrates and lateral enhancement-mode high electron
mobility transistors (HEMT) allowing for higher current densities and,
therefore more compact device size. In addition we will apply a new
growth method, pulsed sputtering epitaxy, which is capable of growing
high quality GaN layers at temperatures below 800 °C and thus offers
a huge potential for Si CMOS integration of GaN electronics. To
identify new materials suited to achieve conducting buffer layers for
subsequent GaN epitaxy as well as to achieve new or better
functionalities of group-III-N based devices we will investigate
transition metal (TM) nitrides also alloyed with AlN and GaN for their
potential in group-III-nitride electronic applications. For this we will first
study the properties of pure and alloyed group-IIIb -IVb and -Vbnitrides
(Cr, V, Ti, Sc, Nb, Zr, Ta, Hf) with AlN and in some cases also
with GaN. Our goal is a database on crystal structure, lattice
parameter, electrical and optical properties for a wide range of
compositions. In detail the potential will then be investigated for thin
films for applications as active layer in electronic devices, e.g. for
polarization optimization in HEMTs, novel HEMT structures with, e.g.
binary, highly conducting GaN/ScN/GaN channels, as thicker highly
conducting film, or as electrically conducting strain engineering layer,
enabling true vertical electronic devices on Si substrates. For the
latter pure TMN alloys or TMN alloys with AlN are the most promising
candidates, while for active layers, apart from binary TMN layers, also
alloys with GaN are interesting. Based on the properties of TMNs
known to date, we expect that fully vertical devices on Si as well as
better HEMT devices are achievable which will primarily result in a
further increase in power density of GaN based devices.