Elektronischer Transport polarisationsinduzierter, zweidimensionaler Elektronengase mit extrem hoher Flächendichte für ScAlN/GaN-basierte Leistungstransistoren (ScNius)

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver Ambacher; Professor Dr. Johannes Heitmann
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462699552

Das Ziel des Verbundprojekts ScNius, welches im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms „Energieeffiziente Leistungselektronik“ beantragt wird, besteht in der Erforschung des elektronischen Transports von polarisationsinduzierten, zweidimensionalen Elektronengasen (2DEG) mit extrem hohen Flächenladungsdichten (> 1013 cm-2), die an der Grenzfläche von ScAlN/GaN-Heterostrukturen lokalisiert sind. Basierend auf der Kenntnis der dominierenden Streumechanismen für die Elektronen der 2DEGs wird die Epitaxie und das Design der ScAlN/GaN-Heterostrukturen im Hinblick auf eine Minimierung des Schichtwiderstandes von eigens prozessierten „High Electron Mobility-Transistoren“ (HEMTs) optimiert. Darauf aufbauend werden leistungselektronische Bauelemente mit einer signifikant erhöhten Stromtragfähigkeit und Energieeffizienz im Vergleich zu konventionellen GaAlN/GaN-HEMTs prozessiert und demonstriert.Gestützt durch weitreichende theoretische und experimentelle Vorarbeiten der Antragssteller in der Forschung und Entwicklung von GaN-basierten leistungselektronischen Bauelementen sowie der Bestimmung aller relevanten Materialkoeffizienten von hexagonalen ScxAl1-xN-Schichten (0 ≤ x ≤ 0,45), werden in systematisch aufeinander aufbauenden Arbeitspaketen die Epitaxie, Analytik, Technologie, Messtechnik und Simulation von ScAlN/GaN-Heterostrukturen und elektronischen Bauelementen betrieben. Mit Hilfe der metallorganischen Gasphasenabscheidung werden hochqualitative ScAlN/GaN-Heterostrukturen epitaxiert und im Hinblick auf ihre strukturellen Eigenschaften analysiert. Die gewonnenen Materialstrukturen ermöglichen enorm große Polarisationsgradienten an der ScAlN/GaN-Grenzfläche, die 2DEGs mit Elektronenflächendichten zwischen 2 . 1013 und 6 . 1013 cm-2 und Flächenwiderständen von weniger als 200 /□ induzieren. Bisherige Arbeiten zeigen allerdings, dass bei einer Erhöhung der Elektronenflächendichte die Mobilität der Ladungsträger sinkt. Aus diesem Grund fokussieren sich die Arbeiten im ersten Teil des Projekts auf die Aufklärung der elektrischen Transporteigenschaften und der dominanten Streumechanismen der 2DEGs. Mit Hilfe von Simulationen (Schrödinger-Poisson und Monte Carlo-Simulationen) und der verfügbaren elektrischen Messtechnik, werden für Leistungstransistoren relevante physikalische Eigenschaften wie die Mobilität, Drift- und Sättigungsgeschwindigkeit und darauf aufbauend der Einfluss der Legierungs-, Grenzflächenstreuung sowie der Einfluss von Punkt- (z.B. geladene Punktdefekte) und Linien-Defekten (z.B. Versetzungen) bestimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse werden anschließend zur Optimierung der Materialstrukturen im Hinblick auf eine möglichst hohe Kombination aus Elektronenflächendichte und Driftgeschwindigkeit der 2DEGs genutzt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2312: Energieeffiziente Leistungselektronik "GaNius"