Investigation of AlN/GaN superlattices and their application to group III nitride devices

Wille, Ada; Waser, Rainer; Vescan, Andrei

doi:35674

Investigation of AlN/GaN superlattices and their application to group III nitride devices = Untersuchung von AlN/GaN Übergittern und ihrer Anwendungen in Bauelementen der Gruppe-III Nitride

Wille, Ada

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ada Wille, M.Sc.

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (143 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2017

Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Vescan, Andrei (Thesis advisor)^RWTH* ; Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-02-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-026832
DOI: 10.18154/RWTH-2017-02683
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/686175/files/686175.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/686175/files/686175.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Galliumnitrid (frei) ; Übergitter (frei) ; Transistor (frei) ; Bragg-Spiegel (frei) ; elektro-optischer Modulator (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Bei der Abscheidung von Gruppe III-Nitriden bestehen nach wie vor ungelöste Herausforderungen bezüglich Schichtverspannung und -verformung. Neben der Relaxation über Defekt¬einbau destabilisiert die Verspannung das Wachstum ternärer Legierungen wie z. B. AlGaN mit der Folge von hohen Defektdichten und abweichenden Zusammensetzungen. Einen Lösungsansatz stellen Kompositionsübergitter (engl. superlattices, SL) mit nm-skaliger Periodenlänge dar. SL aus den deutlich stabileren binären Materialien AlN, GaN bilden virtuelle Legierungen, die hochinteressante elektronische, optische und verspannungskontrollierende Eigenschaften aufweisen.In Rahmen dieser Arbeit wurde die Abscheidung von AlN-GaN-SL aus ultradünnen GaN- und AlN-Schichten mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) optimiert und die herausragende strukturelle Qualität der Schichtsysteme demonstriert. Analog zu einer statistisch gemischten AlGaN-Legierung baut sich mit zunehmender SL-Schichtdicke tensile Verspannung im Schichtstapel auf. Es konnte allerdings gezeigt werden, dass die kritische Schichtdicke der SL die einer klassischen AlGaN-Legierung mit vergleichbarem Al-Gehalt deutlich übersteigt, begründet durch eine spezifische Verteilung der Verspannung im Schichtsystem.Anschließend wurden SL-Heterostruktur-Feldeffekttransistoren (SL-HFET) entwickelt, bei denen mehrere zweidimensionale Elektronengase (2DEG) als parallele Kanäle an den AlN/GaN-Grenzflächen im SL entstehen. Durch diese Verteilung der Ladungsträger auf mehrere Kanäle konnte die Beweglichkeit der Ladungsträger sowohl im Bereich niedriger (Rückseitenbarriereneffekt) als auch hoher Ladungstägerkonzentrationen (Reduktion von Grenzflächen- und Phononenstreuung) signifikant erhöht werden (von 1690 cm2/Vs auf 1900 cm2/Vs). Neben der verbesserten Beweglichkeit führt dieser Ansatz außerdem zu einer Linearisierung der DC- und AC-Verstärkungsprofile sowie der Großsignal-Leistungsverstärkung. Die SL wurden auch in verteilten Bragg-Spiegeln (DBR) verwendet und ersetzen hier ebenfalls die klassische AlGaN-Legierung. Rissbildung wurde in SL-GaN-DBR mit 10 Paaren und einem AlN-Anteil von 26 % im SL erfolgreich verhindert. Es wurden dadurch Reflektivitäten von bis zu 80 % mit 10 DBR-Paaren erreicht. Es konnte gezeigt werden, dass die tensile Verspannung durch einen treppenartigen Verlauf der Fadenversetzungen (Threading Dislocation, TD) abgebaut wird. Hierbei klettern die TD an den GaN/SL Grenzflächen des DBR in die <1-100>-Richtung, um nach einer bestimmten Strecke wieder in die ursprüngliche <0001>-Richtung zurückzukehren. Die Konzepte von SL-DBR und SL-HFET wurden erfolgreich kombiniert, um einen neuartigen elektrooptischen Modulator zu realisieren (auf Grundlage einer Erfindungsmeldung an die RWTH Aachen wurde dieses Konzept zum Patent angemeldet). Das Modulationsprinzip basiert hierbei auf der elektrisch gesteuerten Anreicherung und Verarmung von Ladungsträgern in einem SL-Segment eines SL-DBR, was über elektro-optische Effekte auch die dielektrischen Eigenschaften und somit den Brechungsindex des SL beeinflusst. Die Ladungsträger befinden sich dabei in 2DEG an den AlN-GaN-Grenzflächen innerhalb der SL-Schicht ähnlich den parallelen Transistorkanälen im SL-HFET. Die Reflektivität einer einzelnen SL-Schicht konnte so durch Anlegen einer Spannung von +8 V um absolut +0.5 % gesteigert werden. Mittels Simulationen wurde auf dieser Grundlage gezeigt, dass mit diesem Ansatz in einem 51-Paar-SL-DBR mit einem einzelnen steuerbaren SL eine Modulation der Reflektivität von 94 % auf 35 % erreichbar ist. Dieses innovative Steuerungskonzept kann neben den optischen Modulatoren auch Anwendung in Laserdioden, Projektionssystemen und optischen Verstärkern finden.

The deposition of group III nitrides still faces unsolved challenges concerning stress and strain of the deposited layers. Stress does not only lead to relaxation of the material via defect incorporation but also destabilizes the growth of ternary alloys as e. g. AlGaN which leads to high defect densities and changing compositions. One possible solution to this problem are compositional superlattices (SL) with periodicities on the nm scale. SL consisting of the more stable binary materials AlN and GaN form virtual alloys which have highly interesting electronic, optic and stress-controlling properties. In this thesis, the deposition of ultra-this AlN/GaN-SL (1.3 nm/3 nm) via metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE) was optimized and the superior structural quality was demonstrated. In analogy with a statistically mixed AlGaN alloy, tensile stress is building up in the layer stack with increasing SL layer thickness. It was shown that the critical layer thickness of the SL is higher compared to a classic AlGaN alloy with comparable Al content originating from the specific distribution of stress in the SL.Subsequently, SL heterostructure field-effect transistors (SL-HFET) were developed in which several two-dimensional electron gases (2DEG) generated at the AlN/GaN interfaces in the SL served as parallel channels. With the distribution of carriers into more than one channel, the carrier mobility was enhanced in the low (backbarrier effect) and high carrier concentration regime (reduced interface and phonon scattering). The carrier mobility was increased from 1690 cm2/Vs for a standard single-channel HFET to 1900 cm2/Vs for a triple-channel transistor. Besides the improved mobility, this approach also led to a linearization of DC- and AC-gain profiles and large-signal power amplification.AlN/GaN-SL were also used in distributed Bragg reflectors (DBR) where they replace the classical AlGaN alloy. Layer cracking was successfully controlled in 10-pair SL/GaN-DBR with an AlN content of 26 % in the low-index SL layers. Reflectivities of up to 80 % with 10 DBR pairs were shown. The accommodation of tensile strain occurred via a staircase pattern of TD. Here the TD bend into the <1-100> direction at every GaN/SL interface of the DBR and kink back into the original <0001> propagation direction after a characteristic length. The concepts of SL-DBR and SL-HFET were successfully merged to create a novel electro-optic modulator (patent pending RWTH Aachen University). The modulation principle relies on the depletion or accumulation of carriers in one low-index SL layer in a SL-DBR via an electric field. This affects the dielectric properties including the refractive index of the SL due to electro-optic effects. The accumulated carriers are located in 2DEG at the AlN/GaN interfaces in the SL layer similar to the parallel transistor channels of the SL-HFET. In this way, the reflectivity of a single SL layer showed an increase of absolute +0.5 % when biased with +8 V. Simulations showed that with this approach the reflectivity of a 51-pair SL-DBR can be modulated from 94 % to 35 % with only one electrically addressed SL layer. Besides the application in optical modulators, this innovative modulation concept can also be used in laser diodes, projection systems and optical amplifiers.

OpenAccess:
PDF PDF (PDFA)
(additional files)