Erforschung neuartiger Leistungselektroniksysteme auf Basis neuer Materialsysteme und Herstellungsverfahren (ForMikro - GaNESIS); NaMLab Teilvorhaben: Charakterisierung von Strukturen und Bauelementen

Abstract

In dem Projekt wurde eine innovative (Al)GaN Sputterepitaxie (PVD) überwiegend auf Si-Substraten entwickelt, um eine attraktive Alternative zur gebräuchlichen MOVPE-Technologie aufzubauen. Die prinzipiellen Vorteile der Sputterepitaxie, deren Potential gegenüber dem MOVPE Wachstum im Projekt adressiert wurden, sind: ein kostengünstiger Sputterepitaxie-Prozess, kontrollierte elektronische Schichteigenschaften durch n-type Dotierung, hohe Expitaxie-Kristallqualität, äquivalent zu MOCVD Die Projektpartner Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg (OvGU) und Fraunhofer FEP (FEP) entwickelten die Prozesse der Sputter Epitaxie. Die Forschungsaktivitäten von NaMLab (NLB) im Projekt zielten darauf ab, die Eignung von PVD-Pufferschichten in Demonstrator-Bauelementen der Leistungselektronik anhand elektrischer Kenndaten zu untersuchen und mit den Ergebnissen die Verbesserung zu unterstützen. High-Electron-Mobility Transistoren (HEMTs) mit Sputterepitaktischer Pufferstruktur bzw. AlN Nukleationslage und MOCVD überwachsener AlGaN/GaN Heterostruktur mit zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) wurden mikro-prozessiert und elektrisch charakterisiert. Die Ergebnisse in diesem Bericht zeigen, dass Pufferstrukturen mit Sputter Epi Unterbau eine nahezu vergleichbare Durchbruchfestigkeit im Vergleich zu reinen MOVPE Puffer aufzeigen. Durchbruchspannungen bis 600 V im vertikalen und lateralen Durchbruch konnten mit Puffern mit Sputter-Epi AlN Nukleation erzielt werden. Eine hohe Stromtragfähigkeit bzw. der geringe Einschaltwiderstand von HEMT Leistungsschaltern wird maßgeblich durch eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit im 2DEG bestimmt. Die HEMT Transistoren des letzten Prozess Zyklus auf einer Sputter Epi AlN Nukleation zeigen eine 2DEG Feld-Effekt Beweglichkeit von 1900 cm2/Vs. Dies entspricht ca. 90% der besten MOVPE HEMT Referenzstruktur. Im Projekt konnten wichtige Voraussetzungen für die Herstellung von Hoch-Volt HEMT Leistungsschaltern auf GaN-Si Material mit Sputter Epi Puffern demonstriert werden, wobei die elektrische Charakterisierung der HEMT Demo-Bauelemente ein essentielles Feedback zum Materialwachstum und zur Materialqualität liefert. Datei-Upload durch TIB In the project, an innovative (Al)GaN sputter epitaxy (PVD) was developed mainly on Si substrates in order to establish an attractive alternative to the commonly used MOVPE technology. The principal advantages of sputter epitaxy, whose potential compared to MOVPE growth was addressed in the project, are: a low-cost sputter epitaxy process, controlled electronic layer properties through n-type doping, high expitaxial crystal quality, equivalent to MOCVD The project partners Otto von Guericke University Magdeburg (OvGU) and Fraunhofer FEP (FEP) developed the sputter epitaxy processes. The research activities of NaMLab (NLB) in the project aimed to investigate and support the improvement of the suitability of PVD buffer layers in demonstrator devices for power electronics on the basis of electrical characteristics. High electron mobility transistors (HEMTs) with sputter-epitaxial buffer structure or AlN nucleation layer and MOCVD overgrown AlGaN/GaN heterostructure with two-dimensional electron gas (2DEG) were micro-processed and electrically characterized. The results in this report show that buffer structures with sputter epi substructure exhibit nearly comparable breakdown strength compared to pure MOVPE buffers. Breakdown voltages of up to 600 V in vertical and lateral breakdown could be achieved with buffers with sputter epi AlN nucleation. A high current-carrying capacity or the low on-resistance of HEMT power switches is largely determined by a high charge carrier mobility in the 2DEG. The HEMT transistors of the last process cycle on a sputtered epi AlN nucleation show a 2DEG field-effect mobility of 1900 cm2/Vs. This corresponds to approx. 90% of the best MOVPE HEMT reference structure. In the project, important prerequisites for the fabrication of high-voltage HEMT power switches on GaN-Si material with sputter epi buffers could be demonstrated, whereby the electrical characterization of the HEMT demo devices provides essential feedback on material growth and material quality.