Zusammenfassung - Ruhr

Zusammenfassung
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Zusammenfassung
Gegenstand
dieser
Arbeit
ist
das
III-V-Nitrid
Galliumnitrid,
insbesondere
Heterostrukturen aus Aluminium-Galliumnitrid, die jeweils als Schichten auf SaphirSubstraten gewachsen sind. Ziel war die Herstellung von In-Plane Gate Transistoren (IPG)
mittels fokussierter Ionenstrahlimplantation. Solche Transistoren werden aus speziellen
AlxGa1-xN/GaN Heterostrukturen hergestellt, in denen ein (quasi-)zweidimensionales
Elektronengas (2DEG) ausgebildet ist. Diese als HEMT (high electron mobility transistor)
bezeichneten
Schichtsysteme
besitzen
im
Falle
der
genannten
Nitride
flächige
Elektronendichten in der Größenordnung 1012 cm-2 und Beweglichkeiten von rund 1000
cm2/Vs. Diese im Vergleich mit anderen HEMT-Strukturen hohen Elektronendichten in
Verbindung mit der großen chemischen und thermischen Beständigkeit der Nitride machen
diese zu attraktiven Ausgangsmaterialien für elektronische Bauelemente, die auch in
chemisch aggressiver oder heißer Umgebung eingesetzt werden können.
Um Bauelemente herstellen zu können, muss zunächst die Halbleiterschicht in kleine
Bereiche, die voneinander elektrisch isoliert sind, sogenannte Mesen, strukturiert werden. Die
im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Verfahren werden in Kapitel 2 vorgestellt. Am
schonendsten für das Material und mit technisch geringem Aufwand geschieht die
Strukturierung bei vielen Halbleitern üblicherweise durch nasschemisches Ätzen. Aber gerade
die chemische Beständigkeit der Nitride macht dies zu einer großen Herausforderung.
Deshalb wurden Versuche unternommen, GaN-Schichten durch (UV-)lichtunterstütztes
elektrochemisches Ätzen zu strukturieren, was in Kapitel 2.1 beschrieben wird. Die Ätzraten
waren mit ca. 50 nm/min groß genug, um eine Strukturierung vorzunehmen. Dabei ist es
gelungen, 3 µm dicke GaN-Schichten auch mit vergleichsweise geringen Elektronendichten
von 1016 cm-3 bis auf das Substrat herunter zu ätzen. Da jedoch hohe Leistungsdichten des
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UV-Lichts von rund 500 mW/cm2 notwendig waren, die nur innerhalb eines kleinen
Lichtflecks erreicht werden können, ist dieses Verfahren nicht geeignet, größere Flächen des
Materials gleichzeitig bzw. mit ausreichender Homogenität zu strukturieren.
Um den gewünschten Ätzprozess auf größere Flächen auszudehnen, wurde aus diesem
Grunde ein Plasmaätzverfahren zur Mesastrukturierung entwickelt. In Kapitel 2.2 wird
beschrieben, wie durch eine einfache Vorrichtung, die in eine herkömmliche Vakuumanlage
eingebaut wird, homogen und mit Ätzraten von rund 10 nm/min GaN strukturiert werden
kann. In dieser Vorrichtung treffen, durch eine Spannung von 5 kV beschleunigt, ArgonIonen auf einen rund 10 cm2 großen Probenteller. Dies erlaubt es, auch Probenflächen im
Bereich von cm2, wie sie in dieser Arbeit als typische Größen von Probenstücken verwendet
wurden, als Mesen zu strukturieren. Damit konnte das notwendige Ziel erreicht werden,
aktive Bereiche in einer GaN-Schicht und damit auch in den HEMT-Strukturen von einander
zu trennen.
Für die Realisierung von elektronischen Bauelementen ist eine elektrische
Kontaktierung mit ohmschen Kontakten notwendig. In Kapitel 2.3 wird die Herstellung und
Optimierung elektrischer Kontakte beschrieben. Durch geeignete Wahl von Dauer und
Temperatur erfolgt die thermische Aktivierung von Titan-Aluminium Kontakten in einem
schnellen thermischen Ausheilofen. Es konnten so auf dem verwendeten AlxGa1-xN/GaN
HEMT normierte Kontaktwiderstände von unter 0,4 Ωmm realisiert werden, was bereits
industriellen Anforderungen genügt.
Damit konnten die technologischen Voraussetzungen geschaffen werden, um Mesen der
Aluminium-Galliumnitrid Heterostrukturen elektrisch zu kontaktieren und in diesen
Bereichen durch fokussierte Ionenstrahlen Transistoren herzustellen.
Das Zustandekommen des (quasi-)zweidimensionalen Elektronengases in einer
AlxGa1-xN/GaN HEMT Struktur wird in Kapitel 3 beschrieben. Anders als in den
wohlbekannten AlxGa1-xAs/GaAs Heterostrukturen spielen in den Nitriden piezoelektrische
Felder eine entscheidende Rolle. Der Sprung von piezoelektrischen Feldern an
Materialgrenzen führt zur Bildung ortsfester Polarisationsladungen, die durch bewegliche
Ladungen kompensiert werden. Diese freien Ladungsträger bilden das 2DEG an der
Heterogrenzfläche.
Die weiteren Unterkapitel widmen sich der Probencharakterisierung. Eine sehr
empfindliche Methode zur Bestimmung der Schichtqualität stellt die Fotolumineszenz dar.
Eine Beschreibung des entsprechenden Messplatzes, der im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut
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wurde, liefert Kapitel 3.2. Messungen der Fotolumineszenz an der AlxGa1-xN/GaN HEMT
Struktur, sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 5 K beweisen die gute Materialqualität. Die
in Galliumnitrid häufig beobachtete gelbe Lumineszenz konnte ebenfalls nachgewiesen
werden. Sie belegt das Vorhandensein von Defektniveaus, deren Entstehung diskutiert wird.
Elektrische Hall-Messungen, die sowohl bei Raumtemperatur als auch bei 4,2 K durchgeführt
wurden, folgen in Kapitel 3.3. Bei Raumtemperatur beträgt die Elektronendichte rund
4x1012 cm-2 und die Beweglichkeit ungefähr 950 cm2/Vs; bei 4,2 K sind es ebenfalls rund
4x1012 cm-2 bzw. rund 5700 cm2/Vs. Die in dieser Arbeit verwendete HEMT-Struktur zeigt
bei Raumtemperatur eine Leitfähigkeit durch den buffer, die jedoch bei T = 4,2 K wegen der
fehlenden thermischen Aktivierung von Dotierniveaus ausgeschaltet ist. Deswegen wurden
die meisten elektrischen Messungen bei T = 4,2 K ausgeführt.
Das verwendete HEMT besitzt zudem eine ausgeprägte Fotoleitfähigkeit und zeigt
einen starken lang anhaltenden Fotoeffekt (persistent photoconductivity effect, PPE) über
mehrere Tage. Da dies auch einen Einfluss auf elektronische Bauelemente hat, wurde der PPE
ausführlich untersucht und in Kapitel 3.4 beschrieben. Man findet, dass der PPE sich
thermisch, aber nicht optisch unterdrücken lässt. Aufgrund dieser Befunde wird ein einfaches
Modell beschrieben, wonach der für diesen Effekt verantwortliche Defektzustand an
Gitterschwingungen angekoppelt ist, die einen starken Einfluss auf seine elektronische
Struktur nehmen. Damit wird ein schnelles Wiedereinfangen der Elektronen, insbesondere bei
tiefen Temperaturen, verhindert.
Kapitel 4.1 beginnt mit einer Beschreibung der derzeit verfügbaren Typen von
Feldeffekttransistoren auf der Basis von Nitriden und gibt eine Motivation zur Herstellung
von In-Plane Gate Transistoren. In Kapitel 4.2 wird die Funktionsweise einer fokussierenden
Ionenstrahlanlage beschrieben. Mit deren Hilfe wurden in das AlxGa1-xN/GaN HEMT Ionen
implantiert, die eine Isolation des Materials bewirken. Durch die Implantation entlang von
Linien können so leitfähige Bereiche des 2DEG in der HEMT Struktur voneinander
abgetrennt werden.
Die Herstellung von IPGs auf der Grundlage der in den vorangegangenen Kapiteln
erarbeiteten Probenprozessierung und die elektrische Charakterisierung von IPGs wird in
Kapitel 4.4 beschrieben. Durch die Ionenimplantation wurden leitfähige Kanäle definiert,
deren Breite und somit deren Widerstand sich durch eine Gatespannung steuern lassen. Sie
lassen sich bei 4,2 K sowohl anreichern als auch verarmen und sogar vollkommen
verschließen. Typische Werte liegen zwischen einigen kΩ im geöffneten Zustand und bei GΩ
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im geschlossenen Zustand, d.h. es können Ströme zwischen 0,1 mA und nA gesteuert werden.
Dabei betragen die Steilheiten 3-4 µS. Dies sind die ersten In-Plane Gate Transistoren, die in
Nitriden hergestellt werden konnten. Ihre typischen Kanalweiten betragen 1 µm. Es zeigt sich,
dass die Ausbreitung der Verarmungszone proportional zur angelegten Gatespannung ist. Die
experimentellen
Befunde
stimmen
mit
den
theoretischen
Überlegungen
überein.
Frequenzabhängige Messungen, die in Kapitel 4.4.1 vorgestellt werden, deuten darauf hin,
dass es zu parasitären Einflüssen, etwa durch Umladungseffekte an der Oberfläche kommt.
Dies limitiert die Fequenzeigenschaften der hergestellten Bauelemente. Andererseits könnten
diese Oberflächeneffekte den Einsatz von IPGs als Sensoren ermöglichen. Dieser Sachverhalt
wird abschließend in Kapitel 4.5 als Ausblick diskutiert.