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Projekt
Func4Punc - Funktionalisierung von AlGaN/GaN-HEMTs durch additives ferroelektrisches AlScN zur effizienten Leistungsumwandlung
Antragsteller
Professor Dr. Johannes Heitmann; Professor Dr.-Ing. Holger Kapels
Fachliche Zuordnung
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung
Förderung seit 2025
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563147180
AlGaN/GaN-HEMTs finden aufgrund der intrinsisch hohen Durchbruchspannung von Gruppe-III-Nitrid-Materialien und der Ausbildung eines 2DEG an dem AlGaN/GaN-Heteroübergang in der Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik ihre Anwendung. Um die Leistung zu verbessern und ihren Anwendungsbereich zu erweitern, gibt es mehrere Ansätze, GaN-basierte HEMTs mit ferroelektrischen Materialien zu kombinieren. Diese Integration zielt darauf ab, dynamische und nichtflüchtige Schwellenspannungsregelung für Speicher- und kontrollierbare Hochfrequenz-/ Mikrowellenanwendungen zu realisieren. Die durch die größere Polarisationsladung der Ferroelektrika wie AlScN enormen Designmöglichkeiten zur Kopplung von Ladungen mit der zugrunde liegenden Bauelementfunktion, können jedoch aufgrund der erforderlichen Abstimmung ferroelektrischer Eigenschaften sowie enormer Prozessherausforderungen bei der Integration ferroelektrischer AlScN-Dünnschichten bisher nicht voll für skalierbare Bauelementarchitekturen ausgenutzt werden. Diese Herausforderungen manifestieren sich in einem erhöhten Leckstrom bei geringeren Schichtdicken und einer Empfindlichkeit gegenüber der Topographie sowie der kristallinen Substratorientierung, was zu reduzierten Durchbruchspannungen unterhalb der erforderlichen Koerzitivfeldstärke für die Polarisationskontrolle oder die Bildung der kubischen Phase und fehlorientierten Kristalldomänen führt. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, zielt dieser Projetvorschlag darauf ab, verschiedene ferroelektrische Gate-Stapel in AlGaN/GaN-HEMTs zu integrieren. Hierfür wird zunächst der Einfluss neuartiger in ihren Eigenschaften (Bandlücke, Dielektrizitätskonstante) einstellbarer ternärer dielektrischer Zwischenlagen, atomlagenbasierter Verarbeitungsschritte, potenzialfreier Metall-/ Halbleiterzwischenschichten und geeigneter Kontaktmetalle auf die ferroelektrischen Eigenschaften von AlScN-Dünnschichten untersucht. Die vielversprechendsten Materialstapel werden in FeHEMTs integriert und im Bauelementbetrieb so charakterisiert, dass ferroelektrische Materialeigenschaften mit den resultierenden Transistoreigenschaften korreliert werden können. Besondere Anstrengungen werden darauf verwendet, die Wechselwirkungen zwischen den Ladungsträgern im 2DEG und den Polarisationsladungen im Bauelementbetrieb zu untersuchen. Darüber hinaus müssen Betriebsparameterräume untersucht und definiert werden, um unbeabsichtigtes Polarisationsschalten während des Transistorbetriebs zu vermeiden. Die daraus resultierenden FeHEMTs sollen für den Einsatz in leistungselektronischen Anwendungen konzipiert werden, um einen verbesserten energieeffizienten Betrieb aufgrund der erweiterten Möglichkeiten einstellbarer Bauteileigenschaften zu realisieren. Besonderes Augenmerk wird bei dieser Entwicklung auf die Aufrechterhaltung der Prozesskompatibilität mit bestehenden AlGaN/GaN-Technologien gelegt, um ihre Technologieplattform um ferroelektrisch verstärkte Transistoren zu erweitern.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
