Comprehensive study on MOVPE of InAlN/GaN HEMT structures and GaN nanowires

Behmenburg, Hannes; Heuken, Michael

doi:32589

Comprehensive study on MOVPE of InAlN/GaN HEMT structures and GaN nanowires = Umfassende Untersuchung zur metallorganischen Gasphasenepitaxie von InAlN/GaN-HEMT-Strukturen und GaN-Nanodrähten

Behmenburg, Hannes

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hannes Behmenburg

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangV, 155 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heuken, Michael (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-04-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-45422
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/210483/files/4542.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet GaN-Bauelementtechnologie (612020)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Drei-Fünf-Halbleiter (Genormte SW) ; Galliumnitrid (Genormte SW) ; HEMT (Genormte SW) ; MOCVD-Verfahren (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; MOCVD (frei) ; compound semiconductor (frei) ; gallium nitride (frei) ; MOVPE (frei) ; HEMT (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
pacs: 85.30.Tv * 81.15.Kk * 73.61.Ey * 73.40.Kp * 68.55.-a * 61.05.cp

Kurzfassung
Die Verwendung von InAlN als Barrierenmaterial wird als aussichtsreiche Möglichkeit zur Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften von GaN-basierten High Electron Mobility Transistors (HEMT) erachtet. Im Vergleich zum konventionell verwendeten AlGaN kann durch den Einsatz von InAlN eine verspannungsfreie Schichtstruktur mit erhöhter Ladungsträgerkonzentration im 2-dimensionalen Elektronengas (2DEG) bei gleichzeitiger Reduzierung der Barrierenschichtdicke realisiert werden. Die Reduzierung der Barrierendicke ermöglicht eine Verkürzung der Gate-Länge und damit den Bauelement-Betrieb bei höheren Frequenzen, da weiterhin ein ausreichendes Aspektverhältniss von Gate-Länge und Barrierendicke gegeben ist. Dies ist nötig, um die Kontrolle der Ladungsträger im Transistorkanal zu gewährleisten. Ziel dieser Arbeit ist die umfassende Untersuchung des kompletten Wachstumsprozesses von InAlN/GaN-HEMT-Strukturen auf Saphir und SiC mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE). Dabei steht zunächst die Entwicklung einer für den Hochfrequenzbetrieb geeigneten GaN-Pufferstruktur auf den Substratmaterialien Saphir und SiC im Vordergrund, um Verbesserungen durch den Einsatz von InAlN als Barrierenmaterial aussagekräftig beurteilen zu können. Die Herausforderung ist hier das Erreichen isolierender Eigenschaften und einer hohen Durchbruchfeldstärke bei gleichzeitig niedriger Versetzungsdichte und geringer Verunreinigung des Kristalls. Es kann gezeigt werden, dass die Orientierung der Polarität der für das Wachstum auf Saphir verwendeten AlN-Nukleationsschicht maßgeblich vom Verhältnis des anfänglichen Angebotes der Ausgangsstoffe bestimmt wird. Die Kontrolle des anfänglichen Angebotes kann von AlN-Rückständen in der Reaktorkammer beeinflusst werden. Untersuchungen der AlN-Wachstumsbedingungen auf Saphir und SiC zeigen weiterhin, dass die Entwicklung tensiler oder kompressiver Verspannung durch Veränderung des V/III-Verhältnisses kontrollierbar ist. Dies wird auf eine Änderung der Oberflächendiffusionslänge der Al-Adatome und des davon abhängigen Wachstumsmodus zurückgeführt. Die sequentielle Kombination verschiedener V/III-Verhältnisse kann daher für die Kontrolle von Verspannung und Oberflächenmorphologie eingesetzt werden und ermöglicht eine rissfreie Epitaxie von AlN-Startschichten mit glatter Oberfläche und einer Dicke von 500 nm. GaN-Pufferstrukturen weisen unter Verwendung der optimierten AlN-Startschichten niedrige Versetzungsdichten, isolierende Eigenschaften und hohe laterale Durchbruchfeldstärken auf. Untersuchungen des InAlN-Wachstums zeigen eine nahezu lineare Temperaturabhängigkeit des In-Einbaus. Dies ermöglicht eine genaue Kontrolle der Zusammensetzung und gitterangepasstes Wachstum zur darunter liegenden GaN-Schicht. Unbeabsichtigter Ga-Einbau in InAlN wird festgestellt und auf Rückstände des Ausgangsstoffes im Reaktor zurückgeführt. Durch Modifikation des Reaktors kann der unbeabsichtigte Einbau von Ga in InAlN nahezu ganz verhindert werden. Die elektrische Untersuchung von prozessierten InAlN/GaN-HEMT-Strukturen zeigt hervorragende Eigenschaften der Bauelemente im Hochfrequenzbetrieb. Leistungsdichten von 2,9 W/mm und 2,0 W/mm bei 18 GHz bzw. 40 GHz können erreicht werden. Für die Entwicklung zukünftiger Nanostruktur-Bauelemente wird abschließend das Katalysator-unterstützte Wachstum von GaN-Nanodrähten auf Saphir untersucht. Ein Prozessfenster, welches das 1-dimensionale Wachstum fördert und zur Bildung von geraden, versetzungsfreien Nanodrähten mit einem Durchmesser von 60 nm und einer Dichte von 3·109 cm-2 führt, ist beschrieben. Die Nanodrähte weisen N-polare Orientierung auf und sind senkrecht zur Substratoberfläche gerichtet. Es kann gezeigt werden, dass der Durchmesser der Nanodrähte vom Durchmesser des Katalysators beeinflusst wird und über den Partialdruck des Ausgangsstoffes steuerbar ist.

The use of InAlN as barrier layer material is considered as promising idea to enhance the high frequency performance of GaN-based High Electron Mobility Transistors (HEMT). In comparison to the conventionally employed AlGaN, the introduction InAlN allows the realization of a strain free layer stack with enhanced carrier density in the 2-dimensional electron gas at simultaneously reduced barrier layer thickness. The reduction of the barrier layer thickness allows to realize short gate lengths and to maintain a high aspect ratio of barrier layer thickness and gate length. This is necessary to ensure control over carriers in the transistor channel. Aim of this work is a comprehensive study of the entire growth process of InAlN/GaN HEMT structures on sapphire and SiC by metalorganic vaporphase epitaxy (MOVPE). First, the development of a GaN buffer structure on sapphire and SiC suitable for high frequency operation is in the focus to allow meaningful evaluation of improvement by introduction of InAlN as new barrier layer material. Necessary properties of this buffer are insulating behavior, a large breakdown field, a low dislocation density and a low background impurity level. It can be shown that the polar orientation of the on sapphire employed AlN nucleation mainly depends on the ratio of initially supplied precursors. Control of the initial supply can be influenced by AlN residues in the reactor chamber. Investigations of the AlN growth conditions show that the development of tensile and compressive strain depends on the V/III ratio employed. This is attributed to a variation of the surface diffusion length of the Al adatom and the associated growth mode. Sequential combination of different V/III ratios can be used to control the state of strain and the surface morphology allowing to deposit 500 nm thick and crack-free AlN layers with a smooth surface. GaN buffer structures deposited on the optimized AlN layer show the required insulating properties, a large breakdown field, a low dislocation density and a low impurity background level. Investigations of the InAlN growth process show an almost linear growth temperature dependency of In incorporation. This allows accurate control of composition and growth lattice matched to the GaN buffer. Unintentional Ga incorporation in InAlN is detected and attributed to GaN residues in the growth reactor. Modifications of the reactor chamber almost completely eliminate the unintentional incorporation of Ga in InAlN. Electrical characterization of processed transistor structures yield excellent power densities of 2,9 W/mm and 2,0 W/mm at 18 GHz and 40 Ghz, respectively. Finally, the catalyst-assisted growth of GaN nanowires on sapphire is investigated for the development of future nanostructured devices. A process window is described, which promotes the growth of 1-dimensional structures leading to the formation of straight, dislocation-free and N-polar nanowires with a diameter of 60 nm and a density of 3·109 cm-2. It can be shown that the diameter of the nanowires is influenced by the diameter of the catalyst the size of which is adjustable by the partial pressure of the precursor material.

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