Entwicklung von 3D-III-Nitrid-Resonanztunneldioden

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Thomas Hannappel; Dr.-Ing. Lisa Liborius
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566428840

Der Frequenzbereich von 0,3 bis 3 THz hat in vielen Anwendungsbereichen, wie der berührungsfreien Materialidentifikation, der hochauflösenden Radarbildgebung und der drahtlosen Kommunikation mit hoher Bandbreite, erhebliches Interesse geweckt. Ein vielversprechender Ansatz ist die Nutzung ultraschneller, elektronischer resonanter Tunnelprozesse zur Verstärkung im THz-Frequenzbereich. Im simpelsten Fall besteht eine Resonanztunneldiode (RTD) aus zwei hoch n-dotierten Schichten (Kollektor und Emitter), die durch zwei Quantenbarrieren (QBs) und einen Quantentopf (QW) getrennt sind. Ihre Strom-Spannungs-Kennlinie weist einen Bereich auf, in dem der Strom mit steigender Spannung sinkt. Dieser negativ differentielle Widerstand wirkt als Verstärkung in einem elektrischen Schwingkreis, kompensiert Verluste und führt zu einer Netto-Signalerzeugung. Um die Betriebsspannung und damit die RF-Ausgangsleistung von RTDs zu erhöhen, wurden in ersten Versuchen Halbleiter mit höherer Bandlücke, wie GaN und AlGaN verwendet. Dabei gibt es jedoch zwei große Herausforderungen: Die Kristallqualität der Heterostruktur und das interne Polarisationsfeld. Eine mögliche Lösung für beide Herausforderungen ist die Verwendung von 3D-Strukturen. Ziel des Projekts ist die Entwicklung von auf m-Ebenen gewachsenen GaN RTDs auf Saphir-Substraten. Die 3D-Struktur basiert auf selektiver „bottom-up“ Flächenepitaxie, um Zugang zur m-Ebene zu erhalten und die Defektdichte in den aktiven Schichten zu verringern. Diese RTDs haben als Basis eine n-dotierte GaN-Kern-Hülle Struktur (Elektronenreservoir). Der aktive Bereich besteht aus dem GaN-QW zwischen AlGaN QBs und undotierten GaN Spacern. Als äußere Hülle dient n-GaN als zweites Elektronenreservoir. Mittels physikalischer Simulation werden zunächst die optimalen Dimensionen der einzelnen Drahtbereiche ermittelt, in der Epitaxieentwicklung umgesetzt und die Ergebnisse mit weiteren Simulationen verfeinert. Da die Kristalldefektdichte die Bauelement-Leistung stark beeinflusst, ist eine Analyse des Einflusses der Epitaxieparameter und der gewählten Geometrie auf die Kristallqualität mittels TEM, Multi-Spitzen-STM (MT-STM) und EDX zu analysieren. Um die Entwicklung der Technologie voranzutreiben, ist eine Analyse einzelner Nanodrähte (ND) erforderlich, die wiederum zur Verbesserung der Wachstumsprozesse genutzt wird. Dabei erfolgt die elektrische Charakterisierung einzelner, freistehender ND mit Hilfe des MT-STMs, was einen direkten Einblick in einzelne Komponenten erlaubt. Die Ergebnisse werden mit den Simulationen genutzt, um das Verständnis des Ladungsträgertransport und der Ladungstrennung der RTDs zu vertiefen und die Epitaxie zu optimieren. Für Oszillator-Anwendungen werden die Widerstände und Kapazitäten der Struktur berücksichtigt, welche die R-C-Zeitkonstante definieren. Letztere ist ein guter Indikator für die maximal erreichbare Frequenz. Abschließend sollen On-Chip-Oszillatoren im Frequenzbereich von >100 GHz entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Gerhard Klimeck