Durchbruchsmechanismen und Mobilitätsoptimierung in AlGaN/GaN-HEMTs mit ultradünnem Kanal basierend auf AlN Template +

Für das epitaktische Wachstum von AlGaN/GaN-HEMT stehen AlN-Vorlagen zur Verfügung. Für detaillierte technische Parameter kontaktieren Sie uns bitte unter[email protected].

Im Bereich der Hochspannungs-Leistungselektronik haben GaN-basierte HEMTs bereits in der 650-V-Klasse kommerzielle Anwendung gefunden, die Skalierung auf 1200 V und darüber hinaus bleibt jedoch eine gewaltige Herausforderung. Die Spannungsblockierfähigkeit herkömmlicher GaN-auf-Si-Strukturen wird durch den Kompromiss zwischen Pufferschichtdicke, Waferkrümmung und Kristallqualität eingeschränkt. Obwohl SiC eine größere Bandlücke bietet, behindern seine Kosten die Marktdurchdringung. Vor diesem Hintergrund ist das Material mit ultrabreiter Bandlücke AlN (Bandlücke 6,2 eV) aufgrund seines theoretischen Durchbruchfelds von bis zu 8,4 MV/cm und der Wärmeleitfähigkeit von 2,9 W/(cm·K) ein idealer Kandidat für Leistungsbauelemente der nächsten Generation.

Allerdings löst die einfache Verwendung von AlN als Pufferschicht nicht alle Probleme. Es hat sich die Strategie der ultradünnen Kanäle herauskristallisiert: Die Komprimierung der GaN-Kanaldicke auf unter 10 nm bringt das zweidimensionale Elektronengas (2DEG) näher an den AlN-Puffer und nutzt so die hohe Durchbruchfestigkeit von AlN, um Leckpfade im Substrat und Puffer zu unterdrücken. Abid et al. (2019) stellten erfolgreich HEMT-Strukturen auf AlN/Saphir-Vorlagen mit einem 8 nm dünnen GaN-Kanal und einer Al₀.₉Ga₀.₁N-Barriereschicht her. Das Gerät wies eine seitliche Durchbruchspannung von mehr als 10 kV (die Grenze des Messsystems) bei einem Kontaktabstand von 96 μm und ein Durchbruchfeld von bis zu 5 MV/cm bei einem kurzen Abstand (2 μm) auf – ein Wert, der weit über dem theoretischen Grenzwert von GaN liegt.

Abb. 1 Querschnittsschema des ultradünnkanaligen Al₀.₉Ga₀.₁N/GaN-HEMT (links) und hochauflösendes TEM-Bild der MBE-gewachsenen aktiven Schichten (rechts)

Doch diese Struktur stellt einen erheblichen Widerspruch dar: Eine extrem hohe Durchbruchspannung geht mit einer geringen Mobilität einher. Hall-Messungen zeigten eine 2DEG-Mobilität von nur 340 cm²/(V·s), weit unter dem typischen Niveau von 1500–2000 cm²/(V·s) in herkömmlichen GaN-HEMTs. Dieser Leistungsengpass schränkt die Anwendung des Geräts in Hochfrequenzbereichen ein und stellt ein wesentliches Hindernis für die praktische Einführung der Ultradünnkanaltechnologie dar. Bassaler et al. (2022) führten zu diesem Thema systematische materialphysikalische Untersuchungen durch und nutzten dabei Deep-Level-Transient-Spektroskopie (DLTS) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), um die physikalischen Ursachen der geringen Mobilität aufzudecken.

1. Durchbruch in der Durchbruchsleistung: Spannungsblockierender Vorteil des AlN-Puffers

Abid et al. (2019) verglichen zwei Strukturen: die oben erwähnte 8 nm dünne Kanalstruktur und eine 240 nm dicke Kanalstruktur (Barriereschicht mit 29 % Al-Anteil). Zur Vermeidung von Luftbögen wurden in Fluorinert-Lösung seitliche Durchschlagstests durchgeführt, die erhebliche Unterschiede aufzeigten.

Bei einem kurzen Abstand von 2 μm zeigte die Dünnkanalstruktur eine Durchbruchspannung von etwas über 1000 V, was einem Durchbruchfeld von mehr als 5 MV/cm entspricht, während die Dickkanalstruktur nur 270 V (<2 MV/cm) erreichte. Dieser Unterschied zeigt direkt die Notwendigkeit des ultradünnen Kanals – wenn die Dicke des GaN-Kanals auf unter 10 nm komprimiert wird, kann sich der Verarmungsbereich bis in den AlN-Puffer erstrecken, wodurch die Spannungsblockierfähigkeit des Geräts durch die große Bandlücke von AlN dominiert wird. Nach Kenntnis der Autoren war dieses Experiment die erste Demonstration von Hochspannung unter Verwendung eines dünnen GaN-Kanals auf einem AlN-basierten HEMT.

Bei einem großen Abstand von 96 μm erreichte die Dünnkanalstruktur eine Durchbruchspannung von 10 kV (Systemgrenze) mit einem Leckstrom von nur 300 nA/mm, was darauf hindeutet, dass die Heterostruktur nicht unter parasitärer Leitung litt und dass eine vollständige Verarmung vom Kanal bis hinunter zum Saphirsubstrat realisiert wurde.

Abb. 2 Vergleich der lateralen Durchbruchspannung zwischen Dünn- und Dickkanalstrukturen bei einem Kontaktabstand von 96 μm bei Raumtemperatur

Bemerkenswert ist, dass das Durchschlagsfeld bei beiden Strukturen mit zunehmendem Kontaktabstand abnahm. Abid et al. führten dies auf nachwachsende Grenzflächenzustände zurück, die unter extrem hohen elektrischen Feldern aktiviert wurden. Dies deutet darauf hin, dass selbst bei hochwertigen AlN-Templaten Grenzflächendefekte, die während des MBE-Nachwachsens entstehen, unter Hochspannungsbedingungen über große Entfernungen immer noch ihren Einfluss zeigen.

2. Physikalische Ursprünge geringer Mobilität: Schnittstellen, Versetzungen und Fallen

2.1 Strukturdefekte: von Versetzungen zu Grenzflächenstufen

TEM-Analyse von Bassaler et al. (2022) zu denselben Strukturen ergaben wichtige Hinweise. Bei Betrachtung entlang der [11-20]-Ebene enthielt der AlN-Puffer entlang der Wachstumsrichtung zahlreiche Fadenversetzungen, und die GaN-Kanalschnittstelle zeigte in dieser Ebene eine ausgeprägte stufenartige Rauheit. Im Gegensatz dazu war die Kanalmorphologie entlang der [10-10]-Ebene regelmäßiger mit deutlich weniger Stufen. Diese anisotrope Grenzflächenmorphologie beeinflusst direkt das 2DEG-Transportverhalten.

Abb. 3 (a) HAADF-STEM-Bilder des Probenquerschnitts entlang der Ebenen [11-20] und [10-10]; (b) Vergrößerte Ansichten des Kanalbereichs, die deutliche Stufen an den AlN/GaN- und Al₀.₉Ga₀.₁N/GaN-Grenzflächen entlang der [11-20]-Ebene (durch Pfeile markiert) zeigen, während die [10-10]-Ebene relativ glatt ist. Der Einschub zeigt die wenigen Schritte, die entlang der [10-10]-Ebene noch zu beobachten sind.

XRD-Rocking-Kurven zeigten, dass die Halbwertsbreiten der AlN (002)- und (101)-Reflexe unter 350 Bogensekunden bzw. 500 Bogensekunden lagen, was einer Versetzungsdichte unter 10⁸cm⁻² entspricht. Die nur 8 nm dicke GaN-Schicht lieferte ein zu schwaches Beugungssignal, um ihre Peakbreite genau zu bestimmen, aber die Forscher schlossen daraus, dass sich einige Versetzungen in den dünnen Kanal hinein erstrecken. Diese Versetzungen stehen in direktem Zusammenhang mit der 13 %igen Gitterfehlanpassung an der AlN/Al₂O₃-Grenzfläche.

Noch wichtiger ist, dass eine quantitative Korrelation zwischen Grenzflächenstufen und Mobilitätsanisotropie besteht. Bassaler et al. die Beweglichkeit von Hall-Stäben entlang verschiedener kristallographischer Richtungen gemessen; Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1 Schichtwiderstand und Elektronenmobilität der Dünnkanalstruktur entlang verschiedener kristallographischer Richtungen (Daten von Bassaler et al., 2022, Tabelle II)

Kristallographische Richtung	Schichtwiderstand (Ω/□)	Mobilität (cm²/(V·s))
[-12-10]	2419 ± 114	136 ± 14
[01-10]	2280 ± 97	144 ± 14
[11-20]	1795 ± 70	183 ± 17
[10-10]	1683 ± 73	195 ± 19

Die Mobilität ist entlang der [10-10]-Richtung am höchsten (195 cm²/(V·s)) und am niedrigsten entlang der [-12-10]-Richtung (136 cm²/(V·s)). Im Vergleich zur durch TEM beobachteten Stufenverteilung in Abbildung 3 ist die [11-20]-Ebene genau die Richtung mit den dichtesten Stufen, während die senkrechte [10-10]-Ebene die wenigsten Stufen aufweist. Diese Übereinstimmung beweist schlüssig, dass die durch die Grenzflächenrauheit verursachte Oberflächenstreuung eine Hauptursache für die Verschlechterung der Mobilität ist.

2.2 Tiefenfallen: Energieverteilungs- und Streumechanismen elektroaktiver Defekte

Neben strukturellen Defekten sind auch elektroaktive Fallen, die Träger einfangen und freisetzen, von entscheidender Bedeutung. Mithilfe von DLTS haben Bassaler et al. entdeckten fünf Elektronenfallen (E1–E5) im GaN-Kanal mit Aktivierungsenergien im Bereich von 0,14 bis 0,64 eV. Durch Variation der Sperrvorspannung (Vᵣ = –5,4 V, –6,0 V, –6,6 V) unterschieden die Forscher Fallen, die unter verschiedenen Erschöpfungsbedingungen aktiviert wurden: Bei Vᵣ = –5,4 V (2DEG nicht vollständig erschöpft) wurden nur flache Fallen E1 und E2 erkannt; Bei Vᵣ = –6,0 V (Kanal beginnt sich zu erschöpfen) traten auch die tiefen Fallen E3–E5 auf.

Abb. 4 (a) Normalisierte DLTS-Spektren unter verschiedenen Sperrvorspannungen (–5,4 V, –6,0 V, –6,6 V); (b) Kapazität als Funktion der Temperatur

Analyse der Fallenursprünge:

• E1 (0,14 eV):Verbunden mit Stickstoff-Leerstellen (Vɴ). Ähnliche Fallen wurden von Polenta et al. beobachtet. in bestrahltem GaN.
• E2 (0,24 eV):Wird Vɴ–VGa-Komplexen zugeschrieben.
• E4 (0,46 eV):Möglicherweise durch Stickstofffehlstellen oder -versetzungen selbst verursacht.
• E5 (0,64 eV):Ein typisches Zentrum im Zusammenhang mit Gallium-Leerstellen (VGa).

Es ist hervorzuheben, dass das Fermi-Niveau mehr als 1 eV von den Leitungsbändern dieser Materialien mit großer Bandlücke entfernt bleibt, da die Leitungsbänder der AlGaN-Barriere und des AlN-Puffers weit über denen von GaN liegen. Folglich befinden sich alle erkannten Fallen innerhalb des GaN-Kanals oder an seinen Schnittstellen. Bassaler et al. schlugen vor, dass Grenzflächenschritte die Gitterperiodizität stören und die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Leerstellen erhöhen. Diese elektroaktiven Fallen streuen die 2DEG-Elektronen weiter und verschlechtern zusammen mit der Grenzflächenrauheit die Mobilität.

3. Von MBE zu MOCVD: Optimierungspfade für Materialwachstum

Der Schlüssel zur Lösung der Mobilitätseinschränkung liegt in der Optimierung von Wachstumsprozessen, um Grenzflächendefektdichten und Fallenkonzentrationen zu reduzieren. Sena et al. (2025) züchteten systematisch AlₓGa₁₋ₓN/AlN-Doppelheteroübergänge auf AlN/Saphir-Templaten mittels MOCVD, wobei die Al-Zusammensetzung x zwischen 0 und 0,70 lag. Die resultierende AlN-Pufferschicht wies eine hervorragende Qualität auf: eine XRD (002) symmetrische Rocking-Kurve FWHM von nur 15 Bogensekunden, besser als die der meisten massiven AlN-Einkristallsubstrate, entsprechend einer Schraubenversetzungsdichte von nur 4,8×10⁵cm⁻²; Die Rasterkraftmikroskopie ergab eine Oberflächenrauheit (RMS) von 0,22 nm über eine Fläche von 5 × 5 μm² und erreichte eine Ebenheit auf atomarer Ebene.

Abb. 5 Qualitätscharakterisierung einer 1 μm dicken AlN-Pufferschicht auf einem Saphirsubstrat: (a) Optisches Mikroskopbild; (b) AFM-Bild (5×5μm²); (c) (002) symmetrische Schaukelkurve; (d) (103) asymmetrische Schaukelkurve.

Sena et al. (2025) zeigten außerdem den systematischen Einfluss der Al-Zusammensetzung im AlGaN-Kanal auf die 2DEG-Transporteigenschaften auf. Bei x = 0 (reiner GaN-Kanal) erreichte die 2DEG-Dichte bis zu 3,49×10¹³cm⁻²; Mit zunehmendem x nahm die 2DEG-Dichte langsam ab, blieb jedoch bei den meisten Zusammensetzungen über 10¹³cm⁻². Die Hall-Mobilität nahm mit zunehmender Al-Zusammensetzung ab, was mit den theoretischen Erwartungen auf der Grundlage der Legierungsstreuung und der erhöhten effektiven Masse übereinstimmt. Bemerkenswert ist die Mobilität der von Sena et al. berichteten MOCVD-gezüchteten Proben. war deutlich höher als bei MBE-Proben mit vergleichbaren Zusammensetzungen, was auf die geringere Grenzflächenrauheit und weniger Restverunreinigungen zurückzuführen ist, die durch das MOCVD-Verfahren erzielt werden.

Die reziproke Raumkartierung mittels XRD zeigte außerdem, dass der AlGaN-Kanal bei x = 0,70 im Vergleich zum AlN-Puffer vollständig gespannt war (Relaxationsgrad R = 0 %); Mit abnehmendem x nahm der Grad der Relaxation allmählich zu und erreichte 41,1 % bei x = 0. Dies weist darauf hin, dass die Gitterfehlanpassungsspannung in Kanälen mit niedriger Al-Zusammensetzung teilweise durch Versetzungsschlupf abgebaut wird, aber auch zusätzliche Defekte verursachen kann.

4. Schlussfolgerungen und Aussichten

Basierend auf den oben genannten Studien können die folgenden zentralen Schlussfolgerungen gezogen werden:

(1) Die Strategie der ultradünnen Kanäle verbessert die Durchschlagsleistung erheblich. AlGaN/GaN-HEMTs mit einem GaN-Kanal unter 10 nm auf AlN/Saphir-Vorlagen erreichten eine laterale Durchbruchspannung von >10 kV und ein Durchbruchfeld von 5 MV/cm, was zeigt, dass der AlN-Puffer den Spannungsengpass von herkömmlichem GaN-auf-Si wirksam überwinden kann.

(2) Eine geringe Mobilität entsteht durch synergistische Effekte mehrerer Defekte. Oberflächenstreuung aufgrund von Grenzflächenstufen, Streuzentren durch Fadenversetzungen und tiefe Fallen im Zusammenhang mit Stickstoff-/Gallium-Leerstellen (E1–E5 von DLTS erkannt, wobei E4 mit Versetzungen und E5 mit VGa assoziiert ist) hemmen gemeinsam den 2DEG-Transport.

(3) MOCVD bietet Vorteile in der Schnittstellentechnik. Im Vergleich zu MBE weisen MOCVD-gewachsene AlN/AlGaN-Heteroübergänge eine geringere Grenzflächenrauheit und eine höhere Mobilität auf, was einen praktikablen Weg zur Optimierung der Materialqualität darstellt.

Um Leistungsdurchbrüche bei Bauelementen mit ultradünnen Kanälen zu erzielen, ist daher eine mehrdimensionale synergistische Optimierung erforderlich: (a) Reduzierung der Versetzungsdichte in AlN-Templaten (z. B. durch Hochtemperaturglühen oder epitaktisches seitliches Überwachsen); (b) Optimierung der MBE/MOCVD-Wachstumsparameter zur Unterdrückung von Grenzflächenschritten; (c) Einsatz von In-situ-Passivierung oder Dopingkompensation, um Stellenfallen zu neutralisieren; (d) Ausbalancieren der Al-Zusammensetzung und -Mobilität, um das optimale Fenster zwischen Durchbruchspannung und Leitungsverlust zu finden. Darüber hinaus haben Abid et al. stellte fest, dass eine nicht optimierte SiN-Passivierungsschicht die Durchbruchspannung auf Transistorebene auf 600 V begrenzte, was darauf hinweist, dass gleichzeitig auch die Geräteverarbeitung verbessert werden muss.

AlGaN/GaN-HEMTs mit ultradünnen Kanälen veranschaulichen einen technologischen Weg, „Gerätegrenzen durch Materialinnovation zu sprengen“. Obwohl die aktuelle Mobilitätsproblematik Hochfrequenzanwendungen einschränkt, wird die Vertiefung des Verständnisses der Grenzflächenphysik und die Optimierung von Wachstumsprozessen dazu führen, dass diese Technologie eine bedeutende Position im >1200V-Hochspannungsmarkt einnehmen kann.

Egal, ob Sie AlN-Vorlagen für die Forschung oder für industrielle Anwendungen benötigen, kontaktieren Sie uns bitte per E-Mail unter[email protected] und [email protected].

 

Verweise:

1. Abid, I., Kabouche, R., Bougerol, C., Pernot, J., Masante, C., Comyn, R., … & Medjdoub, F. (2019). Hohe laterale Durchbruchspannung in Dünnkanal-AlGaN/GaN-Transistoren mit hoher Elektronenmobilität auf AlN/Saphir-Vorlagen. Mikromaschinen, 10(10), 690.
2. Bassaler, J., Comyn, R., Bougerol, C., Cordier, Y., Medjdoub, F. & Ferrandis, P. (2022). Transporteigenschaften eines dünnen GaN-Kanals, der in einem Al0 gebildet wird. 9Ga0. 1N/GaN-Heterostruktur, gewachsen auf AlN/Saphir-Templat.Zeitschrift für Angewandte Physik,131(12).
3. Sena, H., Lawton Siukola Thurston, M., Meng, C. & Chowdhury, S. (2025). Systematische Untersuchung von AlGaN-Kanälen auf AlN/Saphir-Substraten mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD): Auf dem Weg zu höherer Kristallinität und geringerer Oberflächenrauheit. APL-Materialien, 13(5).