AlGaN/GaN MBE 2DEG heterostructures : interplay between surface-, interface- and device-properties

Kocan, Martin; Lüth, H.

doi:25242

AlGaN/GaN MBE 2DEG heterostructures : interplay between surface-, interface- and device-properties

Kocan, Martin (Author)

2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Kočan

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

UmfangIV, 213 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Lüth, H. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-07-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-6359
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/59071/files/Kocan_Martin.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Aluminiumnitrid (Genormte SW) ; Galliumnitrid (Genormte SW) ; Drei-Fünf-Halbleiter (Genormte SW) ; Heterostruktur-Bauelement (Genormte SW) ; HEMT (Genormte SW) ; Molekularstrahlepitaxie (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; MBE (frei) ; 2DEG (frei) ; AlGaN (frei) ; GaN (frei) ; Heterostructure (frei) ; Surface (frei) ; Interface (frei) ; HEMT (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Aufgrund der grossen Bandlücke und der hohen Bindungsstärke können die III-Nitrid-Halbleiter für Leuchtdioden im violetten, blauen und grünen Bereich des sichtbaren Spektrums, sowie für Hochleistungstransistoren verwendet werden. Im Vergleich mit konventionellen AlGaAs/GaAs Heterostrukturen bietet das AlGaN/GaN-Materialsystem neue Eigenschaften, die sich für die Anwendung in High Electron Mobility Transistor - Bauelementen (HEMT) eignen. Das Ziel der Arbeit war sowohl die Optimierung des Wachstums von AlGaN/GaN Heterostrukturen, als auch die Untersuchung der Oberflächen- und Grenzflächen-Eigenschaften der hergestellten III-Nitrid-Halbleiter. Die Herstellung der Schichten erfolgte in einer Molekularstrahlepitaxie Anlage (MBE), die mit einer UNI-Bulb RF-Plasmaquelle zur Erzeugung von reaktivem atomaren Stickstoff sowie mit drei Effusionszellen zur Verdampfung von Gallium, Aluminium und Silizium ausgestattet ist. Es wurden Substrate aus SiC und Si eingesetzt. Die deponierten Schichten wurden auf ihre strukturellen, elektronischen und Oberflächen-Eigenschaften untersucht. Die optimierte 2DEG-Struktur, die auf isolierendem SiC-Substrat gewachsen wurde, wurde zur Herstellung eines HEMTs verwendet. Die Eigenschaften der AlGaN/GaN Heterostrukturen wurden durch Simulation der Bänderschemata mittels selbstkonsistenter Lösung der Schrödinger- und Poisson-Gleichung untersucht. Der dramatische Effekt der Polarisationsladung auf die Bildung des 2DEGs an der AlGaN/GaN Grenzfläche wurde bestätigt. Der Einfluss der Oberflächenzustände wurde in die Berechnung einbezogen, indem das durch Photoemissionsspektroskopie gemessene Oberflächenpotential als Randbedingung berücksichtigt wurde. Die elektronischen Oberflächen- und Grenzflächen-Eigenschaften der AlGaN und GaN-Schichten wurden experimentell untersucht. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die elektronischen Oberflächeneigenschaften der in-situ gemessenen GaN-Schichten nicht von der Oberflächenmorphologie sondern von den Wachstumsbedingungen abhängen. Nach dem Kontakt mit der Atmosphäre hingegen sind die elektronischen Oberflächeneigenschaften der GaN Schichten gleich, unabhängig von den Wachstumsbedingungen. Das Oberflächenpotential einer mit Siliziumnitrid passivierten AlGaN-Schicht ändert sich dagegen nicht in Bezug auf die freie AlGaN-Oberfläche, wodurch auch die 2DEG-Konzentration an der AlGaN/GaN Grenzfläche unverändert bleibt. In HEMT Bauelementen wird wegen der niedrigen Leitfähigkeit der Passivierungsschicht der Elektronentransport von der Gate-Elektrode zur Siliziumnitrid/Halbleiter Grenzfläche verhindert und somit die Bildung eines so genannten virtuellen Gates vermieden. Ein solches virtuelles Gate kann im Fall der freien Oberfläche eine Reduktion des Drain-Stromes im Sättigungsbereich verursachen (current collapse). Die durchgeführten theoretischen und experimentellen Untersuchungen geben einen tieferen Einblick in die physikalischen Eigenschaften der AlGaN/GaN-Heterostrukturen. Auf dieser Basis kann die Performance von III-Nitrid HEMT-Strukturen verbessert werden.

Due to their wide band gap and high bond strength, the III-N semiconductors can be used for violet, blue and green light emitting devices as well as for high temperature and high power transistors. In comparison to conventional AlGaAs/GaAs heterostructures the AlGaN/GaN material system offers new properties, which are suitable for HEMT (High Electron Mobility Transistor) device application. The aim of the work was to optimize the growth of AlGaN/GaN HEMT structure on different substrates and to study the surface and interface properties which form the knowledge basis for understanding and improving the performance of AlGaN/GaN HEMTs. The growth of III-nitride samples was performed by molecular beam epitaxy with Gallium, Aluminium, Silicon effusion cells and an UNI-bulb RF-plasma source which provides the active nitrogen. The III-nitride layers were deposited on SiC and Si substrates. The structural, surface and electronic properties of the grown layers were investigated. The optimized AlGaN/GaN HEMT structure grown on insulating SiC substrate was used for fabricating a HEMT device. The properties of different AlGaN/GaN heterostructures were studied theoretically using an energy band scheme simulation by means of a self-consistent Schrödinger-Poisson calculation. A dramatic effect of the polarization charges on the 2DEG formation at the AlGaN/GaN interface was found. The influence of the surface states is included into the calculation by introducing the measured surface potential as a boundary condition. The surface and interface electronic properties of AlGaN, GaN layers were studied experimentally. We found that the in-situ electronic surface properties of GaN layers do not depend on the surface morphology, but on the growth conditions. However, after the GaN samples have been exposed to air the surface potential turns out to be independent of growth conditions. The surface potential of a silicon nitride passivated AlGaN layer does not change compared to the as grown AlGaN surface, which implies that the 2DEG concentration at the AlGaN/GaN interface is unaffected, too. Furthermore, in HEMT devices the low conductivity of the passivation overlayer prevents the transfer of electrons from the gate to the interface layer and the formation of a virtual gate. In the case of the free surface the formation of a virtual gate can cause a collapse in the drain saturation current. Finally, studying the surface, interface and device electronic properties helps to better understand the physics and to improve the performance of a AlGaN/GaN heterostructure for HEMT applications. The provided theoretical and experimental work gives better insight into the origin and the properties of 2DEGs in AlGaN/GaN structures. To optimize the performance of AlGaN/GaN layer structures for HEMT applications it is essential to consider the interplay of surface, interface and device properties.

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