AlScN als neuartiges Barrierenmaterial für GaN-basierende HF-Transistoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die hier beschriebenen Ergebnisse des DFG-Projekts „ScAlN als neuartiges Barrierenmaterial für GaN-basierende HF-Transistoren" zeigen einen hohen wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn im Bereich des Wachstums von ScAlN-Schichten und ScAlN/GaN-Heterostrukturen für den zukünftigen Einsatz in HEMT-Bauelementen mit Anwendungen in der Leistungselektronik. Durch die Antragsteller wurde mit der Verwendung des MOCVD- Verfahrens zur Herstellung epitaktischer ScAlN-Schichten bewusst das Risiko eingegangen, technologisches Neuland zu betreten, da dieses Verfahren des Kristallwachstums das höhere Potential für eine industrielle Verwertung erwarten lässt. Es zeigt sich, dass bislang aufgrund unzulänglicher chemischer Quellenmaterialien und einer verfahrensbedingten Vielzahl weiterer Einflussparameter die Kristallqualität noch weiter zu verbessern ist, um eine technische Relevanz zu erreichen. Des Weiteren sind mit aufwändigen Verfahren nachgewiesene Verunreinigungen der epitaktischen Schichten mit Fremdatomen aus den Quellenmaterialien unbedingt zu reduzieren. Diese Themen werden im weiteren Verlauf der Forschungsarbeiten durch den Einsatz von optimierten Quellen für die Präkursoren in der Kooperation mit dem Lieferanten der Quellenmaterialien, der Firma Dockweiler, angegangen. Die nachgewiesene Diffusion von Metallatomen durch die ScAlN/GaN-Grenzfläche erfordert theoretische und experimentelle Untersuchungen zur gepulsten MOCVD, die durchgeführt werden müssen, um eine sichere Beurteilung der erzielbaren Materialqualität im Hinblick auf Bauelementeigenschaften und eine spätere industrielle Verwertung durchführen zu können. Insgesamt befindet sich der erreichte wissenschaftlich-technische Stand des Projekts aus der Sicht der Antragsteller auf einem sehr guten Niveau, wobei das erstmals demonstrierte Wachstum Sc-haltiger Halbleiterschichten mittels MOCVD und der weltweit erste Nachweis von HEMT-Bauelementen, die basierend auf diesen Schichtstrukturen hergestellt werden konnten, hervorzuheben ist. Die Demonstration erster Transistoren mit HEMT-Strukturen aus der MOCVD ist zweifellos das herausragende Ergebnis des Projekts und repräsentiert den Stand der Forschung in Europa auf diesem Gebiet. Die zukünftigen Arbeiten werden fokussiert auf die Verbesserung der kristallinen Schichtqualität und den Nachweis reproduzierbar herzustellender Transistoren mit Leistungsdaten, die mit dem von AlGaN/GaN-Strukturen bekannten Stand der Technik zu vergleichen sind und diesen im Hinblick auf die Stromtragfähigkeit sogar übertreffen sollen. Sie sollen die Grundlage für weitere F&E-Projekte mit universitären und industriellen Partnern im Rahmen von BMBF- und EU-Verbundprojekten sein und die spätere Industrialisierung dieser Technologie vorbereiten. Als ersten Schritt für die Verwertung der Projektergebnisse wurden auf europäischer Ebene ein Projektantrag gestellt, in dem die Antragsteller und ihre Partner beabsichtigen, leistungselektronische Bauelemente auf Basis von ScAlN/GaN-Heterostrukturen zu entwickeln. Industriepartner in diesem Konsortium haben bereits Interesse an dem Einsatz der entwickelten Technologie in MOCVD-Reaktoren bekundet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Experimental determination of the electro-acoustic properties of thin film AlScN using surface acoustic wave resonators, (2019) Journal of Applied Physics 126 (7), 075106
N. Kurz, A. Ding, D. F. Urban, Y. Lu, L. Kirste, N. M Feil, A. Žukauskaitė, O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5094611) - Investigation of growth parameters for ScAlN- barrier HEMT structures by plasma-assisted MBE (2019), Japanese Journal of Applied Physics 58 (SC), SC1045
K. Frei, R. Trejo-Hernández, S. Schütt, L. Kirste, M. Prescher, R. Aidam, S. Müller, P. Waltereit, O. Ambacher, M. Fiederle
(Siehe online unter https://doi.org/10.7567/1347-4065/ab124f) - MBE of III-Nitride Semiconductors for Electronic Devices, (2019), Molecular Beam Epitaxy: Materials and Device Applications (Publ. 2019/4/15)
R. Aidam, O. Ambacher, E. Diwo, B. Godejohann, L. Kirste, T. Lim, R. Quay, P. Waltereit
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/9781119354987.ch7) - Metal-Organic Chemical Vapor Deposition of Aluminum Scandium Nitride, (2019) physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters
S. Leone, J. Ligl, C. Manz, L. Kirste, T. Fuchs, H. Menner, M. Prescher, J. Wiegert, A. Žukauskaitė, R. Quay, O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssr.201900535) - Optical constants and band gap of wurtzite AlScN/Al2O3 prepared by magnetron sputter epitaxy for scandium concentrations up to x = 0.41, (2019) Journal of Applied Physics 126 (4), 045715
M. Baeumler, Y. Lu, N. Kurz, L. Kirste, M. Prescher, T. Christoph, J. Wagner, A. Žukauskaitė, O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.5101043) - First-principles calculation of electroacoustic properties of wurtzite (Al,Sc)N, Phys. Rev. B (2020)
D. F. Urban, O. Ambacher and Ch. Elsässer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.115204) - Metalorganic chemical vapor phase deposition of AlScN/GaN heterostructures, Journal of Applied Physics 127, 195704 (2020)
J. Ligl, St. Leone, Ch. Manz, L. Kirste, Philipp Doering, Th. Fuchs, M. Prescher, and O. Ambacher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/5.0003095)
