Kontrolle von Punktdefekten während der Molekularstrahlepitaxie von dünnen Ga2O3 Schichten

• Antragsteller: Dr. Oliver Bierwagen, seit 1/2021; Professor Dr. Manfred Martin; Privatdozent Dr. Markus R. Wagner
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 446185170

Monoklines Galliumoxid (ß-Ga2O3) ist ein vielversprechendes Halbleitermaterial für Bauelemente der Leistungselektronik: Seine große Bandlücke (≈4.7 eV) resultiert in einer hohen theoretisch vorhergesagten Durchbruchfeldstärke (Ebr ≈ 8 MV/cm), erlaubt es aber auch die Leitfähigkeit von halbisolierend bis leitfähig (mindestens p ≈ 10^10 bis 10^-3 Omega cm) zu kontrollieren. Die Leistung von realen ß-Ga2O3-basierten Bauelementstrukturen hinkt trotzdem theoretisch vorhergesagten Werten hinterher. Dies kann insbesondere an Punktdefekten, wie Sauerstoff- oder Gallium-Vakanzen (VO, VGa) und/oder –Zwischengitteratomen, liegen, die sich nachteilig auf die Bauelementfunktion auswirken durch (i) die Kompensation von Dotierung, (ii) die Verringerung der Elektronenbeweglichkeit und (iii) die Dissipation von Leistung durch Umladung der Punktdefektzustände in der Bandlücke.Dieses Projekt zielt ab auf die neuartige experimentelle Bestimmung von Punktdefekten in β-Ga2O3 und ihres Einflusses auf die Funktionseigenschaften von ß-Ga2O3. Zur Lösung dieses grundlegenden Problems verfolgen wir einen innovativen Ansatz aus der Verknüpfung von verschiedenen experimentellen Charakterisierungen dünner Filme, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) in genau definierten Bereichen (d.h. metall- oder sauerstoffreich) abgeschieden wurden.Zunächst wird uns die Abscheidung dünner Filme mit unterschiedlichen O-Isotopen ermöglichen, durch Raman-Spektroskopie den relativen Einfluss der O- und Ga- Untergitter auf verschiedene Raman-Moden experimentell zu bestimmen.In Verbindung ab-initio-Rechnungen ermöglicht uns dieser vorbereitende Schritt, die Stärke der Raman-aktiven Moden von ß-Ga2O3 mit der Existenz von Ga- und/oder O-Punktdefekten zu korrelieren, die durch verschiedene MBE-Wachstumsbedingungen oder Temperbehandlungen nach dem Wachstum induziert werden (z.B. erwarten wir, dass O- oder Ga-reiche Wachstumsbedingungen die Bildung von VGa oder VO fördern). Diese Ergebnisse werden systematisch mit Sekundärionen-Massenspektroskopie-basierten Anionen- und Kationen-Tracer-Diffusionsstudien und Positronen-Annihilationsspektroskopie gekoppelt, die beide unabhängige Belege für Vakanzen liefern. Die zusätzliche Messung des elektrischen Transports von donatordotierten Schichten wird den Einfluss verschiedener Punktdefekte auf die Funktionseigenschaften der Dünnfilme charakterisieren.Schließlich werden wir die Rolle des für Ga2O3 vielversprechenden MBE-Wachstumsmechanismus der Indium-vermittelten Metallaustauschkatalyse bei der Bildung verschiedener Punktdefekte im Vergleich zum Standard-MBE Wachstum klären.Auf diese Weise stellen wir konkrete Richtlinien zur Verhinderung oder Erzeugung von Punktdefekten bei der Synthese von ß-Ga2O3 auf, um die funktionellen Eigenschaften zu kontrollieren. Wir sehen in diesem Ansatz einen grundlegenden Schritt für das Verständnis (i) der Funktionsweise von ß-Ga2O3 Bauelementen und (ii) der wesentlichen grundlegenden Grenzen des Materials.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Andreas Falkenstein
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Piero Mazzolini, Ph.D., bis 12/2020