AlGaN/GaN-Heterostrukturen: Epitaxie und elektrische Eigenschaften

Abstract

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Epitaxie und den Transporteigenschaften von Halbleiter-Heterostrukturen auf Basis der Gruppe-III-Nitride. Das Ziel dieser Arbeit war ein genaues Verständnis der Zusammenhänge von Wachstumsprozessen in der MOVPE und der elektrischen Eigenschaften von Einzelschichten, Heterostrukturen sowie prozessierten Bauteilen zu erhalten. Wegen des Fehlens von geeigneten Substraten ist man in der GaN-Epitaxie aber nach wie vor auf Fremdsubstrate, meist Saphir (Al2O3) und Siliziumkarbit (SiC), angewiesen. Für die Epitaxie auf Saphir wurde im Rahmen dieser Arbeit eine O2-dotierte Nukleationsschicht entwickelt und zum Patent angemeldet. Durch die in den Gruppe-III-Nitriden vorhandene piezo-elektrische und spontane Polarisation werden sehr große Elektronendichten induziert. Durch eine Veränderung des Al-Gehalts ließen sich diese zwischen ns=6×1012/cm2 und 1,5×1013/cm2 variieren. Eine weitere Erhöhung bis auf 3×1013/cm2 war durch die Dotierung der Barriere möglich. Wegen der hohen Aktivierungsenergie von Akzeptoren in Halbleitern mit großem Bandabstand ist in GaN die p-Dotierung nur durch Einbringen extrem hoher Dotierstoffkonzentrationen möglich. Es zeigte sich, dass bei Dotierstoffkonzentrationen im Bereich von [Mg]=6-8×1019/cm3 reproduzierbar Löcher-konzentrationen von p=6×1017/cm3 erreicht werden. Das Konzept der polarisationsinduzierten Dotierung wird bislang in der Forschung meist für n-leitende Bauteile angewandt. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass in einer p-leitenden GaN/AlGaN:Mg-Übergitterstruktur eine Löcherkonzentration von p=3,6×1018/cm3 generiert werden kann. Für die Epitaxie von GaN-basierten Laserstrukturen wurde in dieser Arbeit wegen dessen guter Leitfähigkeit das Substrat SiC verwendet. Einen entscheidenden Einfluss auf die elektrische Kennlinie hat die zuletzt abgeschiedene Kontaktschicht. Durch eine Veränderung der Epitaxieparameter dieser Schicht konnte der Spannungsabfall über die Diode entscheidend reduziert werden.

This work deals with the epitaxy and the transport properties of semiconductor heterostructures based on group-III-nitrides. Therefore, the goal of this work was to get a detailed understanding of the growth mechanisms in MOVPE (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy) as well as the electrical properties of epitaxial layers, heterostructures and processed devices. Because of the lack of appropriate substrates the use of heteroepitaxy on materials like sapphire (Al2O3) or silicon carbide (SiC) is necessary. Within the scope of this work an oxygen doped nucleation layer for the growth on sapphire was developed and applied for a patent. An application of heterostructures are HEMTs. Due to the piezoelectric and spontaneous polarisation in group-III-nitrides very high electron densities can be induced. By varying the Al-content the sheet carrier density could be changed between ns = 6×1012/cm2 and 1.5×1013/cm2. A further increase up to 3×1013/cm2 was possible by doping the barrier. Due to the high activation energy of acceptors in high band gap semiconductors, p-type conduction in GaN is only possible by realising extremely high doping concentrations. It revealed that at dopant concentrations of [Mg] = 6-8×1019/cm3 hole concentrations of p = 6×1017/cm3 can be realised reproducibly. The concept of polarisation-induced doping mostly is applied in n-type heterostructures. This work however shows that in p-type GaN/AlGaN:Mg-superlattices a hole concentration of p = 3.6×1018/cm3 can be generated. This result offers many possible new applications. The growth of laser structures was conducted on SiC substrates because of its good electrical conductivity. On this substrate an AlGaN buffer layer was deposited, which also acts as n-type cladding layer. The finally deposited contact layer has a crucial influence on the I-V-characteristic of the device. By changing the growth parameters of this layer we could reduce the voltage drop of the device drastically.