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und Oxidationstechnik für AlGaN und Anwendung in Heterostruktur

1. 1MHz 0 75 100KHz 10kHz 1 03kKHz 0 70 Spannung V Abb 8 7 Kapazit ts Spannungskennlinien f r die angegebenen Mefsfrequenzen Die Messungen wurden jeweils von der Akkumulation positive Spannungen zur Verarmung depletion negative Spannung durchgef hrt Die Signal Verrauschung speziell bei 1 kHz Abtastfrequenz ist auf die kleinen Kapazit tswerte 10 pF zur ckzuf hren Bei den gemessenen Absolutwerten der Kapazit ten nicht dargestellt ist mit zunehmender Frequenz eine leichte Erh hung festzustellen Als eine plausible Ursache f r dieses Verhalten kommen hierf r Verschiebungsstr me zusammen mit dem hohen Bahnserienwiderstand gr er als 1 KQ in Betracht 118 Eigenschaften des PEC Oxids Um die frequenzabh ngige Position des Flachbandfalls zu bestimmen ist es deswegen zweck m ig zun chst elementar das Verh ltnis der Flachbandkapazitat Ca zur Oxidkapazit t Co zu bestimmen Im Flachbandfall ist die Kapazitat des Halbleiters 8 2 vorgegeben durch die Debye L nge Lp welche ber die Gleichung 4 4 mit der Elektro nenkonzentration n und der statischen dielektrischen Konstante s von GaN 8 9 zusam menh ngt Nach Gleichung 8 1 ergibt
2. as grown E n 1 um oxide 1 1 d yy eons Veet d erosnseyvee latogato 200 diuannap earns serve aan dtp mitten Hy tae nos Number of Counts 30 40 50 60 70 80 20 Abb 8 3 XRD Analyse von in Phosphorsdure PEC oxidiertem Galliumnitrid Im Vergleich zum Spektrum der urspr nglichen heteroepitaktisch auf Saphir Al O3 aufgebrachten GaN Schicht nach oben versetzt treten im Spektrum der oxidierten Schicht beim doppelten Braggwinkel 28 von ca 38 40 zus tzliche Reflexe auf welche z T der kristallinen Phase B Ga gt 0 zuzuordnen sind Mit freundlicher Genehmigung von L H Peng Graduate Institute of Electro Optical Engineering National Taiwan University Taipei Taiwan 112 Eigenschaften des PEC Oxids 8 2 Elektrische Untersuchungen von MOS Strukturen Zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften der PEC Ga 03 Oxidfilme bzw des Grenzfl chenverhaltens zum darunterliegenden Nitrid Halbleiter wurden MOS metal oxide semiconductor Strukturen hergestellt Ausgangsmaterial f r diese Untersuchungen ist eine MOVPE GaN Probe f r welche anhand von Raman 110 und Hall Untersuchungen eine Elektronenkonzentration von 3 8x10 cm bzw 6 0x10 cm und eine Beweslichkeit von 135 cm Vs bzw 150 cm Vs bestimmt wurde 111 112 Da der Oxidfilm nicht best ndig in Laugen ist erschien zun chst eine Definition von MOS Strukturen via Photolithographie wegen der meist alkalischen Entwickler nicht m gli
3. L H Peng C W Chuang J K Ho C N Huang and C Y Chen Deep ultraviolet enhanced wet chemical etching of gallium nitride Appl Phys Lett 72 939 941 1998 S M Sze Physics of Semiconductor Devices 2 Edition John Wiley and Sons New York 1981 M Passlack E F Schubert W S Hobson M Hong N Meriya S N G Chu K Konstadinidis J P Mannaerts M L Schnoes and G J Zydzik Ga20 films for electronic and optoelectronic applications J Appl Phys 77 686 693 1995 179 Literaturverzeichnis 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 H L Hartnagel MOS gate technology on GaAs and other II V compounds J Vac Sc Technol 13 860 867 1976 L H Peng C H Liao Y C Hsu C S Jong C N Huang J K Ho C C Chiu and C Y Chen Photoenhanced wet oxidation of gallium nitride Appl Phys Lett 76 511 513 2000 B E Deal and A S Grove General Relationship for the Thermal Oxidation of Silicon J Appl Phys 36 3770 1965 E Harush S Brandon J Salzman and Y Paz The effect of mass transfer on the photoelectrochemical etching of GaN Semicond Sci Technol 17 510 2002 Z H Hwang J M Hwang W H Hung and H L Hwang Electrodeless Wet Etching of GaN Assisted with Chopped Ultraviolet Light Appl Phys Lett 84 3759 2004 A Okada Y Ohnuki and T Inada Auger electron spectroscopy AES measurements on
4. Gleichung 5 2 berechneten Weite der Raumladungszone Waepi zur Gewinnung der Diffusionsl nge L in n GaN 64 Photoelektrochemische Charakterisierung Der Vergleich zwischen der Geradensteigung 1 06x10 cm dem Absorptionskoef fizienten a f r die verwendete Wellenl nge des HeCd Lasers von 325 nm mit seinem Litera turwert 1 0x10 cm 52 57 vermittelt ein selbstkonsistentes Bild f r das hier verwendete Modell Der Bereich der Raumladungszonenweite 22 nm lt Waesp lt 35 nm welcher zur Inter polation benutzt wird mag vielleicht klein erscheinen Tats chlich wird aber daf r ein Spannungsbereich von ber 2 V und mehr als 200 Einzelwerte benutzt Eine Begrenzung zu gr eren Weiten Waep ist durch den beobachteten Durchbrucheffekt gegeben Abweichend von der Theorie werden f r kleinere Raumladungszonenweiten Weep lt 20 nm zu geringe Photostr me gemessen unabh ngig vom Beleuchtungsgrad Dies ist wie das be z gl ch des Flachbandpotentials versp tete Einsetzen des Photostroms vermutlich auf Ober flachenrekombinationen zur ckzuf hren Bei geringer Bandkr mmung ist die Elektronendichte an der Oberfl che noch immer hoch so da selbst hier noch eine gro e Anzahl von direkten strahlenden Rekombinationen oder solche via Oberfl chenzust nde m glich ist gt Gleichung 4 2 Diese Zust nde dienen als effektive Zentren von meist nichtstrahlender Rekombination vor allem dann wenn sie in der N h
5. Abb B 1 ein Spannungswert von 0 5 V anliegen Zur Funktionskontrolle kann die Spannung der Referenzelektrode hochohmsch etwa mit Hilfe einer voltage mea surement unit am HP 4155A z B VMU1 abgegriffen werden Zus tzlich sind der Potentio stat und der Analyzer ber eine gemeinsame Masseleitung miteinander verbunden Der maximal erreichbare Strom ber der elektrochemischen Zelle ist durch den Ausgangs widerstand von OPAmp2A bestimmt zu ca 20 mA 133 Der Strom ber die Halbleiter Elektrode auf virtueller Masse wird ber die geerdete SMU3 ger teintern analysiert und zeitaufgel st gespeichert 158 Anhang Elektrochemische Zelle In der elektrochemischen Zelle ist eine Platin Drahtring Elektrode als Gegenelektrode fest n stalliert Die Referenzelektrode SCE wird bei Bedarf in das Elektrolytvolumen eingetaucht Das f r die potentiostatische Regelung ben tigte Referenzsignal wird in unmittelbarer N he zur Arbeitselektrode GaN bestimmt Letztere w rd durch eine federgespannte Vorrichtung an den Dichtungsring der elektrochemischen Zelle welche aus Teflon gefertigt ist gepre t Der schematische Aufbau ist in gt Abb B 1 wiedergegeben Potentiostat Ohmscher Punktkontakt UV Strahlung AlGaN auf gt Saphir j Arbeitselektrode Teflonk rper Dichtungsring Abb B 2 Elektrochemische Zelle Die elektrischen Anschl sse der drei Elektroden werden nach au en zum Potentiostaten und HP 4155A S
6. Man gewinnt einen Proze welcher einfach im Becherglas ohne Zuhilfenahme eines Poten tiostates bzw einer elektrochemischen Zelle praktiziert und fast beliebig skalierbar ist wenn eine hohe und homogene UV Bestrahlung gew hrleistet st Die bislang geltenden Einschr n kungen zur PEC Oxidation bez glich der Oxidationsflache entfallen Hingegen ist eine in situ Beobachtung des Oxidationsvorgangs ber den Photostrom nun nicht mehr m glich Eben falls ist eine Abstimmung des Aufl sungs bzw Oxidationspotentials gegen ber einer Refe renzelektrode etwa der SCE nicht mehr m glich sondern fest von den vorhandenen Redox paaren eingepr gt Wie aus AES Untersuchungen hervorgeht verlaufen auch diese elektrodenlosen PEC Oxida tionsversuche in schwach alkalischem Elektrolyten erfolgreich Es bilden sich auf AlGaN GaN HFET Strukturen d nne Oxidfilme aus Weiterf hrende Studien an diesen Oxidfilmen wurden durchgef hrt und sind z T in der Dissertation von D Mistele festgehalten 107 So sind mit dieser problemlos auch industriell bertragbaren Methode zur na chemischen photounterst tzten Oxidation bereits verschiedene gate recessed GR HFET Typen herge 146 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs stellt worden F r die oben skizzierten GR HFETs Abb 9 10 mit einem Schottky Gate findet man die zu erwartende Verschiebung der Schwellspannung AV um ca 1 V und Drain Str me von bis zu 720 mA mm b
7. den entwickelt und die zyklische Oxidation als eine bislang einzigartige nafichemische Me thode eingef hrt welche in der Lage ist sowohl n Typ als auch p Typ Material glatt und in reproduzierbarer Weise zu tzen 1i SUMMARY This work describes the development of novel photoelectrochemical technologies applied to polar and chemically inert GaN based single layers and heterostructures First an understanding of the electronic reactions at the interface between the wide band gap nitride semiconductor and the electrolyte s developed By excitation of the semiconductor surface with UV radiation a low energy and at the same time anisotropic etch process for n type material is established The nature of the threading dislocations in heteroepitaxially grown layers makes it possible to model these by a suitable choice of the etch parameters So called whiskers are formed and detected by scanning electron microscopy Their density serves as a measure for the density of threading dislocations and the material quality A new phase at the boundary surface is established and identified stoichiometrically as Ga203 when changing the photoelectrochemical etch regime of GaN from reaction limited to diffu sion limited With the aid of these new native oxide films the surface morphology of etched structures is improved crucially In the following the suitability of the photoelectrochemically generated oxide films as dielectric in field effect
8. m Leitungs und Valenzband Bandl ckenenergie und ihre Diskontinuit t band offset Energiewerte des Redox Systems Energie eines Photons Redox Energie Normal Fermi Energie eines Redox Systems Austrittsarbeit von GaN Transistor Steilheit mutual conductance extrinsische intrinsische Steilheit Planck sches Wirkungsquantum Drain Strom diffusionslimitierter Strom reaktionslimitierter Strom Stromdichte Teilstromdichte f r die Oxidation Reduktion Photostromdichte Boltzmann Konstante Reaktionsrate f r die Oxidation Reduktion Debye L nge Diffusionslange der L cher thermische Leitfahigkeit Reorganisierungs Energie Compton Wellenlange des Elektrons mit der direkten Energiebandliicke verbundene Wellenl nge Exponent Elektronenmasse effektive Elektronenmasse effektive L chermasse molare Masse von GaN Vill U2DEG Up Nj Nbulk Ns Nsurface Na Np Nr NL Ppiezo P piezo pqy F F F b q Qu Qsc r R Routk R Rp Rs Relektrolyt Rearaday Rsh Rshunt p P P Gan Beweglichkeit des 2 dimensionalen Elektronengases Beweglichkeit der L cher Elektronenanzahldichte intrinsische Ladungstragerdichte Volumenkonzentration der Elektronen elektronische Flachenladungsdichte Oberfl chenkonzentration der Elektronen Avogadro Konstante Donatoranzahldichte lokalisierte Oxidladungsdichte fixed oxide charge density effektive Zustandsdichte des Leitungsbandes Druck Polarisati
9. 153 Anhang Wachstumsrate bis zu mehreren um h eine ideale Plattform mit hohem Durchsatz f r die Massenproduktion der bereits kommerziell vertriebenen Nitrid Produkte blaue violette LEDs und Laserdioden bzw AlGaN GaN HEMTs Zudem ben tigt sie im Gegensatz zur MBE weder eine aufwendige H chst Vakuumtechnik noch bedarf es einer Fl ssigstickstoff K h lung Als Ausgangsmaterialien f r die Epitaxie von Gruppe IIl Nitriden mittels MOVPE werden Ammoniak NH3 und verschiedene Metallorganika MO etwa Trimethylgallium CH3 3Ga verwendet Letztere k nnen seit l ngerem in hochreiner Qualit t hergestellt werden und sind bereits bei Zimmertemperatur oder knapp dar ber fl chtig gasf rmig Damit k nnen sie versetzt mit einem Tr gergas meist H2 Nz oder eine Mischung aus beiden sehr leicht in die Reaktionskammer transportiert werden wo s e bereits bei geringer thermischer Aktivierung dissozieren und ihre jeweilige Metall III Komponente freisetzen Erst kurz vor dem meist von RF Spulen beheizten Substrattr ger Suszeptor erfolgt in vielen Reaktortypen dann das Durchmischen mit dem komplement ren Gasstrom im welchem als reaktive Gruppe V Kom ponente Ammoniak ebenfalls mit einem Tr gergas vermengt mitgef hrt wird Die Abschei dung auf dem Substrat erfolgt gem MO Ga NH 2 1050 C GaN gasformig verschiedene Restgase A 2 gasformig fest Dotierstoffe werden ebenso gasf rmig zugemengt typischerwei
10. Elektrochemie wegen ihrer Unkompliziertheit sehr h ufig zum Einsatz kommt und auch im 44 Photoelektrochemie von AlGaN experimentellen Teil dieser Arbeit gt Anhang B verwendet wurde Ihr Potential betr gt 0 2412 V bez glich der NHE VvsNHE 55 oder bzw gegen ber dem Vakuumniveau 4 74 V In Abb 4 3 sind die genannten Energie bzw Potentialskalen gegeneinander auf getragen zusammen mit den Normal Fermi Energien bekannter Redox Systeme Wie erw hnt stellt sich nach dem Eintauchen der Halbleiter Elektrode in den Elektrolyten ein Gleichgewichtszustand ein bei welchem die Fermi Energie beider Phasen bereinstimmt F r den dargestellten Fall in Abb 4 2 f hrt dies zu einer leichten Bandverbiegung innerhalb der n GaN Elektrode und einer entsprechenden Verarmung der Elektronen an der Grenz fl che Analoges gilt aber auch f r den Flachbandfall Deswegen ist etwa bei Angabe der Flachbandspannung Vf eines Halbleiters in einer waBrigen L sung auch die Nennung des pH Wertes unabl ssig Aus der Nernst schen Gleichung 4 14 kann von einem Wert bei einem pH Wert von O auf andere pH Werte geschlossen werden Abb 4 3 Va pH Va pH 0 59 mV pH 4 15 Dabe r hrt der willk rlich erscheinende Zahlenwert 59 mV von der thermischen Spannung kT e 25 mV multipliziert mit dem Umrechnungsfaktor zwischen nat rlichem und Zehner Logarithmus In 10 2 303 her welcher in der Chemie zur Definition des pH
11. Jiao Electron Holography Studies of the Charge on Dislocation in GaN Phys Rev Lett 87 205504 2001 P J Hansen Y E Strausser A N Erickson E J Tarsa P Kozodoy E G Brazel J P Ibbetson U Mishra V Narayanamurti S P DenBaars and J S Speck Scanning capacitance microscopy imaging of threading dislocations in GaN films grown on 0001 sapphire by metalorganic chemical vapor deposition Appl Phys Lett 72 2247 1998 S J Rosner E C Carr M J Ludowise G Girolami and H I Erikson Correlation of cathodoluminescence inhomogeneity with microstructural defects in epitaxial GaN grown by metalorganic chemical vapor deposition Appl Phys Lett 70 420 1997 T Sugahara H Sato M Hao Y Naoi S Kurai S Tottori K Yamashita K Nishino L T Romano and S Sakai Direct Evidence that Dislocations are Non Radiative Recombination Centers in GaN Jpn J Appl Phys Part 2 37 L398 1998 Z Z Bandic P M Bridger E C Piquette and T C McGill The values of minority carrier diffusion lengths and lifetimes in GaN and their impact for bipolar devices Solid State Electronics 44 221 2000 178 Literaturverzeichnis 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 B S Shelton T G Zhu M M Wong H K Kwon C J Eiting D J H Lambert S P Turini and R D Dupuis Ultrasmooth GaN Etched Surfaces Using Photoelectrochemical Wet Etching and an Ultrasonic T
12. beide mit positivem Vorzeichen st dies ein ausgezeichnet geringer Wert 116 118 Die geringe Variation der Flachbandspannung bei verschiedenen Frequenzen ist kennzeich nend f r einen bergang mit geringer Grenzfl chenzustandsdichte density of interface states F r die neuartige PEC Oxidationsmethode l t sich diese Gr e bereinstimmend mit Ref 109 zu 10 cm eV absch tzen 1 00 0 98 0 96 0 94 0 92 x O 0 90 C C 0 88 0 86 0 84 0 82 0 80 2 1 0 1 2 Spannung V Abb 8 8 CV Analyse bei erh hter Temperatur 145 C Die beiden Messungen mit unterschied lichen Scan Richtungen sind nahezu deckungsgleich 120 Eigenschaften des PEC Oxids Zus tzlich wurden die MOS Strukturen bis zu 166 C mittels TVS Methode triangular voltage sweep siehe Ref 119 untersucht Bei diesen Untersuchungen konnte sogar eine leichte Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften bei erh hten Temperaturen beobachtet werden was der Dehydration der Strukturen Verdr ngung von eingeschlossenen Wasser komponenten zugeschrieben werden kann Bei 145 C Abb 8 8 ist die Hysterese zwischen Vorlauf Akkumulation gt Verarmung und R cklauf Verarmung Akkumula tion verschwindend gering Dies zeugt von einer hohen dielektrischen Qualit t des Oxids Speziell die Pr senz mobiler Ladungstr ger innerhalb des Oxids etwa von Ionen k
13. chemischem kristallographischen Atzen mit deutlich ausgepr gten pyramidenf rmigen Strukturen 88 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation 7 1 3 Die Ausbildung von whiskers Aus der Literatur st bekannt da Versetzungen n GaN elektrisch aktive Rekombinations zentren sind 29 und darin enthaltene Referenzen Elektronenholographische 85 und Raster kapazitats Messungen 86 weisen neben anderen Verfahren den Versetzungslinien ein Akzeptor hnliches acceptor like Verhalten zu was aufgrund der rtlich gebundenen nega tiven Linienladung 1 2 Elementarladungen pro fundamentaler Gitterkonstante c 85 zu einer nicht vernachl ssigbaren lokalisierten Bandverbiegung f hrt 30 In der direkten Um gebung von Versetzungslinien sp ren photogenerierte L cher das daraus resultierende Feld und werden teilweise w hrend des PEC Prozesses zu den Versetzungslinien hingezogen wo sie rekombinieren so da sie f r eine Grenzfl chenreaktion nicht mehr zur Verf gung stehen Dies ist in bereinstimmung mit der vielfachen Beobachtung in Messungen zur ortsaufge l ster Kathodolumineszenz CL In dieser Charakterisierungsmethode bilden sich die un mittelbaren Umgebungen von Versetzungslinien als buchst blich schwarze L cher f r die positiv geladenen Ladungstr ger in Form von kreisrunden Gebieten mit geringer Lumines zenz ab 87 88 In PEC Experimenten ist somit der tz Abtrag lokal um ein Versetzungslinie herum stark
14. i Y Ce TY 2 7 Ja l i j ne aki ei 2 SS Sy l i S cs 2 ANY l ef 3 a 7 we A i l NN E j amp A if l d YA 5 VRR i 5 1 Ar l i 6 IGY Kr f 8 i i f l i 7 g ff 7 19 7 X A ur l 8 7 1 B 4 l 7 9 Solubility m pure water Ly Fr Iai 40 o ud Oi 10 F ia N P i y l Hai Ba N i 12 i j 12 I 1 2 3 4 5 6 8 g 0211 72 3 14 15 pH Abb E 2 L slichkeit von Gallium und Oxiden in w rigen L sungen nach Ref 126 Weiterhin ist im sog Pourbaix Diagramm der im folgenden beschriebene Zyklus qualitativ eingezeichnet W hrend des Oxidwachstums verarmt die Elektrolytschicht in der N he der Halbleiterober fl che an OH Ionen Lokal sinkt der pH Wert gegen ber dem Ausgangswert des bulk Elek trolyten z B 0 01 m KOH pH 12 deutlich ab Auf der Elektrolyt Halbseite der Grenzfl che bildet s ch unter diesen station ren Bedingungen eine Diffusionszone aus Folgt man dement sprechend der L slichkeitskurve f r Galliumoxid Abb E 2 im Ast mit der Kennzeich nung 19 in w r gen alkalischen L sungen zu kleineren pH Werten so kann sich immer weniger Oxid im thermodynamischen Gleichgewicht aufl sen 126 Entsprechend verlang samt sich auch die Kinetik der Aufl sung bei diesem lokalen pH Wert Das Vorhandensein eines diffusionslimitiert aufgewachsenen Oxidfilms w rde aber auch in nichttrivialer Weise eine ECV Analyse beeinflussen Serienschaltung von
15. kubische Packung Damit ist diese Kristall struktur inversionssymmetrisch Das Inversionszentrum befindet sich genau in der Mitte einer Gal lium Arsenid Bindung Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN 2 1 2 Elektronische Eigenschaften Die Gruppe III Nitride besitzen durchwegs eine direkte Bandl cke was sie f r den Einsatz in optoelektronischen Bauelementen LEDs Laser und Photodetektoren pr destiniert Ihre Bandliickenenergie Esap bei Raumtemperatur reicht von 0 85 eV InN 9 ber 3 42 eV GaN bis 6 13 eV AIN gt Abb 2 3 In der technologischen Realisierung kommen aber nicht nur bin re Materialien zum Einsatz So kann durch sog band gap engineering n opto elektronischen Bauelementen gezielt Einflu auf die Effizienz von gew nschten strahlenden Rekombinationen etwa mittels Quantent pfen guantum wells oder die Ausbildung eines 2 dimensionalen Elektronengases 2DEG genommen werden Kapitel 3 3 Dabei ist es in beiden F llen notwendig zu wissen wie sich die Bandl ckenenersie f r tern re Verbindungs halbleiter ausdr cken l t und wie sich an den Hetero berg ngen die Diskontinuit t der Energieb nder AE anteilig auf das Leitungs und Valenzband verteilt band offset 6 0 AIN W A direkt 0 2 ALO H indirekt AIN Z 7 5 eV 3 o 4 0 03 2 GaN W B 5 3 0 GaN Z 0 4 D Bl Oe 05 Of GaP Onte i TD D 2 0 SiC 3C Z InN Z 06 5 GaAs 0 8 1 0 InN W Si 1 5 3
16. mung vernachl ssigbar Der zur Kapazit t parallel geschaltete Faraday Widerstand Rraraday 1st damit unendlich gro Das Ersatzschaltbild vereinfacht sich entsprechend Die verbleibenden Serienwiderst nde sind gegeben durch die Zuf hrung innerhalb der Halbleiterprobe Roux und des Elektrolyten Re ektroiy Zur eigentlichen Grenzfl che Sie werden durch eine vorher durchzuf hrende offset Korrektur ermittelt eine detailliertere Beschreibung zu diesem Verfahren st im BIORAD Benutzerhandbuch 65 enthalten Die gewonnenen spannungsab h ngigen Kapazitatswerte Cs sind in gt Abb 5 7 zusammen mit ihren reziproken Quadraten aufgetragen Auf einem gro en Spannungsintervall von 0 5 bis 2 5 VvsSCE verh lt sich die im n GaN Material ausgebildete Raumladungszone gem der Mott Schottky Gleichung 4 10 Dies ist direkt aus dem linearen Verhalten der reziproken quadratischen Kapazit t erkennbar Die Extrapolation des linearen Bereiches liefert f r die Flachbandspannung Vre einen Wert von ca 0 8 VvsSCE f r pH 0 Dies ist in sehr guter bereinstimmung mit den Werten welche von van de Lagemaat 52 und Kocha 66 f r n GaN ermitteln wurden 0 8 0 05 VvsSCE bzw 0 75 0 055xpH VvsSCE Gleichzeitig ist dieser Spannungsbereich Verarmungsfall des n Typ wide bandgap Halbleiters durch einen extrem geringen Dunkel strom gekennzeichnet Aus der Steigung der reziproken quadratischen Kapazitat C kann die Donatorenkonzentra tion Np des H
17. reich und zun chst kaum berschaubar Bei allen verwendeten Epitaxie Verfahren welche im Anhang A genauer beschrieben werden tritt eine Vielzahl von ausgedehnten Defekten innerhalb der Nitridschicht auf Inversionsdom nen Stapelfehler teilweise hre Durch mischung d h kubisch ausgepr gte Raumgebiete und Versetzungen Bis auf die extrem hohe Anzahl von Versetzungen s nd fast alle diese Defekte auch f r d e Epitaxie anderer Verbin dungshalbleiter typisch Sie sind r umlich vermehrt im unmittelbaren bergangsgebiet 200 500 nm zum jeweiligen Substratmaterial anzutreffen Damit sind Versetzungen diejenigen Defekte welche nachhaltigen Einflu auf die physikalischen Parameter im bauelement relevanten Bereich auch noch in einiger Entfernung von der Substratgrenzfl che haben Versetzungen werden im allgemeinen gebildet um w hrend des Kristallwachstums die Oberfl chenenergie zu minimieren Ihre Orientierung ist meist entlang der c Achse also senk recht zur Wachstumsfront Obwohl aufgrund von verschiedenen Mechanismen Ausl schung 19 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN oder Verkippung der Versetzungslinienorientierung nicht alle Versetzungslinien die freie Oberfl che durchsto en besitzen s e bei den Nitridhalbleitern dennoch eine beachtlich hohe Dichte von typischerweise 10 10 cm 29 Diese Gr enordnung ist grunds tzlich f r s mtliche heteroepitaktisch aufgebrachten Nitridfilme anzutreffe
18. steigender Temperatur hinter die von konventionellen HFETs kann somit auf rein physika lische Effekte im Inneren der beiden HFET Typen zur ckgef hrt werden Aus den Hochtem peratur Untersuchungen ist also keine negat ve Beeinflussung der Transporteigenschaften des 2DEGs durch das PEC Oxid ersichtlich Da die neuen MOS Bauelemente selbst bei dieser Temperatur und auch nach l ngeren Standzeiten von mindestens 16 h noch funktionieren ist ein weiteres Indiz f r die gute Grenzfl chen Qualit t zwischen dem Gruppe III Nitrid und sei nem korrespondierenden PEC Oxid Die eigentliche Aufgabe welche das eingebrachte Dielektrikum erf llen soll eine deutliche Reduktion des Gate Stroms wird ber den gesamten Temperaturbereich beispielhaft erf llt Dies geht aus der gt Abb 9 8 hervor In ihr sind f r verschiedene Temperaturen die geome trisch gemittelten Gate Str me Leckstr me gate leakage current in R ckw rtsrichtung f r Ensembles von verschieden HFET Typen mit vergleichbarem Transistordesign gegeneinan der aufgetragen Um zu normierten Gate Stromwerten A mm zu gelangen ist dabei der dar gestellte Zahlenwert f r den Gate Strom A in gt Abb 9 8 pauschal mit einem Faktor von 10 zu multiplizieren Da bei jedem Ensemble jedoch unterschiedliche Gate Weiten 40 um bis 150 um verwendet werden gilt dies nicht streng 140 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs 10u A nn 1 u u RE B kon
19. 0 28 32 36 40 44 48 52 56 60 Go Gitterkonstante a A Abb 2 3 bersicht ber Elementar und Verbindungshalbleiter bzgl ihrer Bandliickenenergien und Gitterkonstanten Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN Die Bandl ckenenergie Esap eines tern ren Verbindungshalbleiters wird im allgemeinen empirisch durch einen parabolischen Zusammenhang mittels eines Kr mmungs Parameters b bowing beschrieben In gt Abb 2 4 ist die Bandl ckenenergie Esap von Al Ga N mit einem Aluminiumgehalt x 0 lt x lt 1 wiedergegeben gem E 4 Al Ga _ N 1 x xE GaN x x E AIN x x 1 x xb 2 1 bzw als Arbeitsgleichung E Al Ga _ N eV 3 42 3 71xx 1 0xx 2 2 F r diese Arbeitsgleichung wurde dabei in der zweiten Zeile der Literaturwert des bowing Parameter mit b 1 0eV benutzt 10 Diese Beziehung geht unmittelbar in die Berechnun gen zur Bandstruktur f r AlGaN GaN Heterostrukturen mit ein gt Kapitel 3 4 Ein Hetero bergang innerhalb des AlGaN Systems und auch des InGaN Systems ist stets vom Typ I d h da sowohl Elektronen an der Leitungsband Unterkante als auch L cher an der Valenzband Oberkante jeweils in dem Material mit der kleineren Bandl ckenenergie eine kleinere freie Energie besitzen Die Diskontinuitat der Bandl ckenenergie AEgap verteilt sich dabei ungleichm ig auf das Leitungsband AE 0 7 AE und das Valenzband AE 0 3 AEsap 11 12 F r den Ladungstra
20. 120 mS mm 125 131 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs 9 2 1 Vergleich zwischen PEC MOS HFETs und konventionellen HFETs Bei der Prozessierung zu PEC MOS HFETs wird die 30 nm dicke obere AlozGao sN Schicht in 2x10 m KOH L sung teilweise oxidiert W hrend der UV Bestrahlung 10 min entsteht bei einem Aufl sungspotential von 0 4 VvsSCE ein ca 15 nm dicker PEC Ab Ga gt 2xO3 Oxidfilm Nach den weiteren oben beschriebenen Proze schritten erfolgt die elektrische Cha rakterisierung der PEC MOS HFETs af ae Br 500m RT ne 5 099 e rie pads ded hh hhh dh A AAA MAMA A aA 400m T O 444444144 dA AAA AAA AAA AAAS GA ddd AAAS lt SS ddd sppprpppppprrrmrrrr Ss dd SSS dd SS a af p gt gt gt gt gt F l eoeeee Pe sscoccssosoree eee a sen cocccnceceoore eoese ss g gt POTS Ladd RE een ennert ge pocccccoouooree e 0 eqeceee Abb 9 4 Ausgangskennlinienfeld f r einen der ersten PEC MOS HFETs 2 um Gate Ldnge Der auff llige lineare Offset ist einem parasit rem Kanal bedingt durch eine schlechte mesa Isola tion zuzuordnen Die Ausgangskennlinien f r V 3 V und 4 V sind deckungsgleich 132 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs Das Ausgangskennlinienfeld eines dieser neuartigen Bauelemente findet sich in Abb 9 4 Das f r die Darstellung benutzte Bauelement besitzt eine Gate L nge von 2 um und eine Gate Weite von
21. 3 Bindungskrdfte 2 2 EPITAXIE VON ALGAN 2 2 1 Substrat 2 2 2 Versetzungen KAPITEL 3 POLARISATION 3 1 SPONTANE POLARISATION 3 2 PIEZOELEKTRISCHE POLARISATION 3 3 ALGAN GAN HETEROSTRUKTUREN 3 4 ELEKTRONENDICHTE UND BEWEGLICHKEIT KAPITEL 4 PHOTOELEKTROCHEMIE VON ALGAN 4 1 LADUNGS UND POTENTIALVERTEILUNG AM HALBLEITER ELEKTROLYT GRENZUBERGANG 4 1 1 Im Gleichgewicht 4 1 2 Bei Anlegung einer externen Spannung 4 2 REAKTIONEN AN DER HALBLEITER ELEKTROLYT GRENZFL CHE 4 2 1 Energiezust nde im Elektrolyten 4 2 2 Ladungstransfer 4 3 PHOTOELEKTROCHEMISCHE OXIDATION UND TZUNG 4 3 1 Anregung des Halbleiters durch UV Bestrahlung 4 3 2 Photoanodische Zersetzung von GaN KAPITEL5 PHOTOELEKTROCHEMISCHE CHARAKTERISIERUNG 5 1 PHOTOSPANNUNG 5 2 QUASISTATISCHE CHARAKTERISIERUNG 5 3 ELEKTROCHEMISCHE KAPAZIT TS SPANNUNGS MESSUNGEN KAPITEL 6 PEC TZEN IM REAKTIONSLIMITIERTEN REGIME 6 1 DER MECHANISMUS DER PEC TZUNG UND TZRATE 6 2 ANISOTROPIE DER PEC TZUNG 6 3 OBERFLACHENMORPHOLOGIE DER GE TZTEN STRUKTUREN 6 4 EINF HRUNG DES POTENTIOSTATEN 13 14 15 19 23 23 26 28 31 37 37 38 41 42 42 47 49 49 52 55 55 6l 66 71 71 76 78 80 KAPITEL 7 PEC ATZEN UNTER DIFFUSIONSLIMITIERUNG UND OXIDATION 7 1 DEFEKTSENSITIVES TZEN UND AUSBILDUNG VON WHISKERS 7 1 1 Das Auftreten von whiskers 7 1 2 Whiskers als dekorierte Versetzungslinien 7 1 3 Die Ausbildung von whiskers 1 2
22. 60 min 0 VvsSCE 4x10 m KOH auf n GaN Eine lineare Korrelation zwischen Sputterzeit untere Achse des Diagramms und der tiefe obere Achse er folgte nach einer profilometrischen Bestimmung der Tiefe des Sputterkraters Argon 4 keV 111 Eigenschaften des PEC Oxids Das Verfahren der R ntgenbeugung XRD dient zum Auffinden von eventuell vorhandenen kristallinen Phasen So wird von Peng 102 eine kristalline Phase f r in verd nnter Phosphors ure generiertes und ebenso als Ga O3 identifiziertes PEC Oxid beobachtet Abb 8 3 Bei unseren in basischen Medien hergestellten Filmen konnte jedoch selbst bei extrem dicken 2 1 5 um Oxidschichten keine zus tzliche kristalline Phase identifiziert wer den Folglich ist in unseren generierten Schichten von einem amorphen Zustand des Oxids auszugehen Auch die Durchf hrung eines RTA rapid thermal annealing Ausheil Tem peraturschrittes 900 C in N2 f r 120s ndert nichts an diesem Verhalten Eine Kristallisation des Oxidfilms tritt auch unter diesen Bedingungen nicht auf Er behalt sowohl seine Dicke und Farbe Brechungsindex als auch seine elektrischen Eigenschaften Abschnitt 8 2 Fu et al beobachten f r hnlich generierte PEC MOS Dioden sogar eine leichte Verbesserung des Grenzfl chenverhaltens 109 Das PEC Oxid ist somit thermisch best ndig und weist deshalb eine gute Proze integrationsf higkeit auf N y O S u u Z Z 49 D
23. AA UN rag gt am LoS _ Cy 7 ereTETTTINTITET OR OO LA bso eT NON TAS ee TR u wk p x 3 O 2 0u a X T ae A AN i E Oo A S x i k D 4 Ou 88 oad op oo D O OO LE SAC doo ao So 10n O o P OS Q COD o Q9 oO gO o OOo O 2 C8 0 00f ERS O o0 o0 O o O o O O 5 Kan n 3 oo fe QA A co o Tn 6 0u Spannung VvsSCE Abb 5 4 Strom Spannungskennlinien fiir eine MOVPE n GaN Elektrode in 0 5 m Schwefels ure f r mehrere UV Beleuchtungsstufen Po ca 1 mW cm Der anodische Photostrom rechte logarith mische Achse skaliert ber mehrere Gr enordnungen mit der UV Beleuchtungsstufe Ein rapides Ansteigen des Stroms ist sowohl in Dunkelheit als auch unter UV Bestrahlung bei Spannungen gr er als 3 5 VvsSCE beobachtbar Dies st vermutlich auf Tunnelstr me innerhalb der hochdotierten MOVPE Probe n 3x10 cm oder andere Effekte z B die Oxidation von Wasser an der Halbleiteroberfl che o zur ckzuf hren Wie im Kapitel 4 zu den Grundlagen der Elektrochemie von Halbleitern skizziert wurde bildet sich an der Halbleiter Elektrolyt Grenzflache innerhalb des Halbleiters eine Zone in welcher die photogenerierten Elektron Loch Paare entweder direkt durch ein elektrisches Feld Raumladungszone oder durch Diffusion Diffusionszone getrennt werden und somit zu einem extern me baren Stromflu beitragen Photonen die weiter im Innern des Halbleiters absorbiert werden rekombinieren dort und ha
24. AIN In der Einordnung der Nitride im Hinblick auf ihre Gitterkonstanten und Bandliickenenergien Abb 2 3 ist ihre Sonderstellung deutlich zu erkennen Dies hat insbesondere Auswirkungen bei der Frage der Substratwahl Abschnitt 2 2 1 Die Wurtzit Struktur geh rt zur Raumgruppe P63mc bzw CH nach Sch nflies und besitzt zwei hexagonal dichtest gepackte Gitter f r jeweils eine Atomsorte die um 5 8 entlang der c Achse verschoben sind Abb 2 1 F r den idealen Kristall bei dem alle Bindungsl ngen zu den jeweils n chsten Nachbaratomen identisch sind ergibt sich somit ein Verh ltnis von c a zu V8 3 1 633 Die zum Teil starke Abweichung von diesem Wert bei den realen Gitterstrukturen der Gruppe IIl Nitride gt Tabelle 2 1 wird im Kapitel 3 zur Polarisation nochmals aufgegriffen Im Gegensatz dazu entsteht die Zinkblende Struktur aus zwei kubisch fl chenzentrierten Gittern mit jeweils einer Atomsorte die gegeneinander um ein Viertel der Raumdiagonalen verschoben s nd Man erkennt aus der Abb 2 1 da sowohl n der Wurtzit Struktur als auch in der Zinkblende Struktur jedes Atom egal ob Metall Stickstoff oder Arsenatom von jeweils vier Nachbaratomen der anderen Spezies umgeben ist Damit st n beiden F llen die Koordinationszahl gleich vier und die n chsten Nachbarn bilden einen Tetraeder um das Zentralatom Jedoch unterscheiden sich Zinkblende und Wurtzit Struktur bez glich der Ausrichtung der
25. Abb 9 8 ist ebenso zu entnehmen da sich diese paras t ren Str me m Fall der Schottky HFETs nach einer Haltezeit von 16 h bei 300 C um einen Faktor von mehr als 4 vergr ern Bei Tandem MOS HFETs bleiben sie ann hernd 141 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs konstant und bei einfachen PEC MOS HFETs sind sie sogar r ckl ufig Selbst bei einer Um gebungstemperatur von 300 C die effektiven Kanaltemperaturen sind nat rlich nochmals deutlich h her arbeiten die beiden PEC MOS HFETs mit sehr geringen Gate Leckstr men lt 100 nA mm Dies sind Anforderungen welche z B an Verst rkungsglieder 1m Mikro wellenbereich bei gleichzeitig hohen Umgebungstemperaturen gestellt werden S mtliche getesteten Bauelemente sowohl konventionelle HFETs als auch einfache bzw Tandem PEC MOS HFETs sind nach dieser langen Haltezeit jeweils mindestens 16 h bei 300 C noch uneingeschr nkt funktionsf hig Ihre Kenndaten Iamax und gm haben sich teilweise sogar leicht verbessern k nnen was auf eine Verbesserung des Kontaktwiderstands zur ckzuf hren ist MIS metal insulator semiconductor HFETs bei denen S O als Dielektrikum direkt auf der selben HFET Struktur mit unterschiedlichen Vorbehandlungen abgeschieden wurde erfahren schon bei niedrigeren Temperaturen ab 150 C elektrischen Durchbruch Damit wird ver deutlicht wie wichtig es ist gerade f r die Operation von AlGaN GaN HFETs mit zus tz lich
26. C Co COx CRed C C gt C3 Crb dHelmholtz D D D C31 4 33 C15 Ease E N eo FORMELZEICHEN elementare Gitterkonstante im unverspannten Zustand thermischer Ausdehnungskoeffizient Absorptionskoeffizient Biegungs bzw bowing Parameter Konstante Burgersvektor Vakuum Lichtgeschwindigkeit elementare Gitterkonstante im unverspannten Zustand Konzentration der oxidierten reduzierten Spezies Kapazit t elastische Moduli Flachband Kapazit t Gate Kapazit t Elektronenaffinit t von GaN Kapazitat der Helmholtz Schicht Kapazit t der Oxidschicht Kapazitat der Raumladungszone Gesamt Kapazitat Deckschichtdicke Ausdehnung der Helmholtz Schicht optische Dichte Versetzungsanzahldichte elektrische Verschiebungsdichte Grenzfl chenzustandsdichte density of interface traps Dichte f r die oxidierten reduzierten Zust nde Diffusionskonstante der L cher Elementarladung Einheitsvektor in c Richtung nicht verschwindende Komponenten des piezoelektrischen Tensors Verspannungsvektor und seine projizierten Komponenten dielektrische Konstante Vil AE AEy Esap AE gap Eox ERed Ephoton ERedox E Re dox Paan Sm Sm ext Sm int h la Ip IR j Jox JRed Jphoto k kox krea Lp ia gt gt x X X gap B Maan relative Permitivit t eines Halbleiters elektrische Feldst rke kritische Feldst rke Fermi Energie Diskontinuit ten der Energie
27. H Wei The origin of the small band gap of InN 8 Wide B andgap III Nitride Workshop Abstracts 41 2003 O Ambacher J Smart J R Shealy N G Weimann K Chu M Murphy W J Schaft L F Eastman R Dimitrov L Wittmer M Stutzmann W Rieger and J Hilsenbeck Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N and Ga face AlGaN GaN heterostructures J Appl Phys 85 3222 1999 171 Literaturverzeichnis 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 G Martin S Strite A Botchkarev A Agarwal A Rockett H Morko W R L Lambrecht and B Segall Valence band discontinuity between GaN and AIN measured by x ray photoemission spectroscopy Appl Phys Lett 65 610 1994 G Martin A Botchkarev A Rockett and H Morko Valence band discontinuities of wurtzite GaN AIN and InN heterojunctions measured by x ray photoemission spectroscopy Appl Phys Lett 68 2541 1996 I Vurgaftman and J R Meyer Band parameters for nitrogen containing semiconductors J Appl Phys 94 3675 2003 I Daumiller C Kirchner M Kamp K J Ebeling and E Kohn Evaluation of the temperature stability of AlGaN GaN heterostructure FET s IEEE Electron Dev Lett 20 448 1999 S J Pearton Fabrication and performance of GaN electronic devices Mat Sci Eng R 30 55 212 2000 und darin enthaltene Referenzen T Rotter D Mi
28. Halbleitertechnologie ist heute so ausgereift wie die von Silizium Basierend auf den exzellenten Eigenschaften von Si S1O2 MOS Strukturen werden heute nahezu alle integrierten Schaltkreise in CMOS Technik oder verwandten Derivaten gefertigt Die Verwendung von Mischkristall Halbleitern wie den III V Halbleitern ist aus konomischen Gesichtspunkten generell nur dann sinnvoll wenn Silizium aufgrund von intrinsischen Eigenschaften etwa indirekte Bandl cke bzw Beweglichkeit qualitativ daf r ausscheidet So qualifizieren sich die Arsenide AllnGaAs und Phosphide AllnGaP aufgrund ihrer Energiebandstruktur vornehmlich f r Aufgabenfelder in der Optoelektronik LEDs Laser Photodetektoren vom infraroten bis gelben Spektralbereich aber auch in der H chst frequenztechnik gt 10 GHz Erg nzend zu diesen traditionellen III V Halbleitern mit einer Zinkblende Struktur l t das Materialsystem der Gruppe III Nitride in Wurtzit Struktur die Realisation von optoelek tronischen Bauelementen im gr nen bis hin zum ultravioletten Spektralbereich zu Diese finden gegenw rtig vielfach schon Verwendung in Anwendungsbereichen wie Vollfarbendisplays hochaufl senden Laserdruckern und fortschrittlicher Datenspeicherung Dies resultiert unmittelbar aus den hohen direkten Energiebandl cken welche sich von 0 85 eV InN ber 3 42 eV GaN bis 6 13 eV AIN kontinuierlich durchstimmen lassen Nachdem bereits in den 70er Jahren die Nitride Schwerpunkt in
29. J Appl Phys Part 1 42 4207 2003 J Karpinski J Jun and S Porowski Equilibrium pressure of N2 over GaN and high pressure solution growth of GaN Journal of Crystal Growth 66 1 1984 http www consult topgan fr pl http www tdil com ganbulk htm Der von ATMI Danbury CT USA entwickelte HVPE Proze wird inzwischen von CREE Durham NC USA verwendet und entsprechendes Wafermaterial vermarktet R Dimitrov Herstellung und Charakterisierung von AlGaN GaN Transistoren Dissertation Technische Universit t M nchen 2000 E Riedel Anorganische Chemie de Gruyter Berlin 1990 H Morkog S Strite G B Gao M E Lin B Sverdlov and M Burns Large band gap SiC III V nitride and II VI ZnSe based semiconductor device technologies J Appl Phys 76 1363 1994 J S Speck and S J Rosner The role of threading dislocations in the physical properties of GaN and its alloys Physica B 273 274 24 1999 Y Mera and K Maeda Optoelectronic Activities of Dislocations in Gallium Nitride Crystals IEICE Trans Electron E83 C 612 2000 C Youtsey L T Romano and I Adesida Gallium nitride whiskers formed by selective photoenhanced wet etching of dislocations Appl Phys Lett 73 797 1998 N G Weimann L F Eastman D Doppalapudi H M Ng and T D Moustakas Scattering of electrons at threading dislocations in GaN J Appl Phys 83 3656 1998 D C Look and J R Sizelove Dislocation Sc
30. Leitungsband 9 0 da gt UV Licht Ferminiveau Redoxenergie Grenzfl chen ae i zust nde l u gt Valenzband i l l Abb 4 4 Trennung von Ladungstr gern an der n Typ Halbleiter Elektrolyt Grenzfl che W hrend die im Inneren des Halbleiters photogenerierten Elektron Loch Paare rekombinieren werden die oberfl chennah erzeugten Elektron Loch Paare durch ein elektrisches Feld W4ep bzw Diffusion Lp getrennt und tragen so zum Photostrom bei 5I Photoelektrochemie von AlGaN Eine effektive Trennung von Ladungstr gern erfolgt also bis zu einer Gesamttiefe W mit W W L Photonen welche tiefer im Inneren des Halbleiters absorbiert werden liefern keinen Beitrag zum Photostrom Letzterer bertrifft den Dunkelstrom Abschnitt 4 2 2 um mehrere Gr enordnungen Spielen Rekombinationsmechanismen an der Oberfl che keine Rolle und werden alle bereitstehenden L cher vollst ndig zum Ladungstr geraustausch an der Grenzfl che benutzt dann erh lt man die sog Butler G rtner Gleichung Sie beschreibt das Ausbeuteverh ltnis von bereitgestellter Photonenstromdichte P zur mefbaren Photostrom dichte Jphoto den sog photocurrent quantum yield pqy mit 1 OW ep Jphoto e ers 4 22 e x 0 1 aL Oe pqy In Kapitel 5 2 wird mit Hilfe dieses Ausdrucks sowohl der Absorptionskoeffizient a als auch die Diffusionslange L in n GaN selbstkonsistent bes
31. Maximum der Elek tronenkonzentration 0 7 nm von der Grenzfl che entfernt In einer Gegeniiberstellung mit einer in identischer Weise dotierten typischen Alo3Gao 7As GaAs MODFET Struktur besitzt diese eine mit der klassischen Alu 3Ga 7N GaN Struktur ohne Grenzfl chenladung vergleichbare Fl chenladungsdichte n von 1 9x10 cm Damit wird klar da die stark erh hte Anzahl der Kanalelektronen in realen AlGaN GaN Heterostrukturen nicht etwa durch den ungef hr doppelt so gro en Leitungsbandoffset des AlGaN Systems AE 0 422 eV gegen ber dem des AlGaAs Systems AE 0 232 eV herbeigef hrt ist sondern die H he der Flachenladungsdichte n in nitridischen Hetero strukturen 1m wesentlichen auf die positiven Effekte der Polarisation zur ckzuf hren ist Aus der Absch tzung der Compton Wellenl nge A geht aus obigen Simulationsergebnissen hervor da in einer nitridischen Heterostruktur praktisch jedes Elektron innerhalb des 2DEG Kanals den Einflu der bislang epitaktisch nicht perfekt aufgewachsenen Grenzfl che sp rt Unter Einbeziehung der Grenzfl chen Rauhigkeit charakterisiert als Produkt der Stufenh he und einer Korrelationsl nge l t sich in einem Modell von Oberhuber 48 49 die zum Teil erhebliche Streuung in den experimentellen Daten der Beweglichkeit bei nominell vergleich baren Schichtstrukturen und Fl chenladungsdichten erkl ren Bislang konnten Rekordwerte in der 2DEG Beweslichkeit u gt pes von
32. PEC OXIDATION 7 2 1 Detailliertere Beschreibung der PEC Atzung 7 2 2 Oxidationskinetik und Schichtdicke 7 2 3 PEC tzen unter Einbeziehung eines Oxidfilms KAPITEL8 EIGENSCHAFTEN DES PEC OXIDS 8 1 CHEMISCHE UND STRUKTURELLE CHARAKTERISIERUNG 8 2 ELEKTRISCHE UNTERSUCHUNGEN VON MOS STRUKTUREN 8 2 1 Resistivit t und Durchbruchverhalten 8 2 2 Grenzfldcheneigenschaften 8 3 VERGLEICH MIT ANDEREN DIELEKTRIKA 81 84 84 86 89 100 100 102 106 110 110 114 115 118 123 KAPITEL9 ALGAN GAN HFETS UNTER VERWENDUNG VON PEC OXIDEN MOS HFETS 126 9 1 PEC OXIDATION VON ALGAN UND PROZEBINTEGRATION 9 2 DIE WELTWEIT ERSTEN PEC MOS HFETS 9 2 1 Vergleich zwischen PEC MOS HFETs und konventionellen HFETs 9 2 2 PEC MOS HFETs als Hochleistungsbauelemente 9 2 3 PEC MOS HFETs bei hohen Temperaturen 9 3 ANDERE INNOVATIVE TRANSISTORTYPEN 9 4 VORVERSUCHE F R DIE INTEGRATION IN EINE INDUSTRIELLE PRODUKTIONSLINIE KAPITEL 10 ZUSAMMENFASSUNG ANHANG ANHANG A EPITAXIEMETHODEN FUR GRUPPE II NITRIDE ANHANG B VERSUCHSBESCHREIBUNG Vorbereitung Messungen mit dem Semiconductor Parameter Analyzer von HP Agilent 4155A Elektrochemische Zelle ANHANG C RADIKAL INDUZIERTES PEC ATZEN ANHANG D POROSES GAN ANHANG E ECV PROFILING UNTER ANWENDUNG DER ZYKLISCHEN OXIDATION LITERATURVERZEICHNIS yi 128 132 133 138 140 145 147 150 154 154 157 157 157 160 161 165 166 172 a ag T Oo QO Q ol C
33. S ttigungsgeschwindigkeit Vsat f r Elektronen weisen das AlGaN GaN Halbleitermaterialsystem als Wunschkandidaten f r Hochtemperatur und Hochleis tungsbauelemente aus Die aus der hohen Bandl ckenenergie Egap resultierende geringe intrin sische Ladungstr geranzahldichte n l t Betriebstemperaturen bis ca 600 C zu Bei diesen Bedingungen degeneriert das Material irreversibel 14 Im Vergleich zu anderen relevanten Halbleitersystemen Tabelle 2 2 ist vor allem die extrem hohe Fl chenladungsdichte n auffallend Diese ist nicht alle n durch den Hetero bergang innerhalb von AlGaN GaN Strukturen erkl rlich sondern beruht ma geblich auf den pyro und piezoelektrischen Eigenschaften der Gruppe IlI Nitride auf welche deswegen im Kapitel 3 genauer eingegangen wird Trotz weltweit intensiver Anstrengungen ist die technologische Perfektion zur Herstellung von nitridischen Bauelementstrukturen bei weitem noch nicht auf einem Niveau das bei 11 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN spielsweise bei Silizium bzw Galliumarsenid l ngst Stand der Technik ist Das Potential welches prinzipiell dem Materialsystem der Gruppe III Nitride inne ist wurde aber bereits mehrfach in den verschiedensten Anwendungsbereichen aufgezeigt siehe hierzu z B 15 Tabelle 2 2 Wichtige Materialparameter im Hinblick auf Anwendungen in der Leistungs bzw Hochtemperaturelektronik 16 Material E gap Ns Eg PDEG Vsat sys
34. Substrat Oberfl che einen partiellen Austausch der Sauerstoffatome durch Stickstoffatome bewirkt 15 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN W hrend unter Verwendung von Ammoniak eine vollst ndige Nitridierung resultiert und sich eine geschlossene AIN bergangsschicht zwischen Saphir und der folgenden Epitaxieschicht ausbildet entstehen durch die Plasmavorbehandlung innerhalb eines MBE Prozesses infolge einer meist unvollkommenen Nitridierung nur einige Monolagen AlO N y welche als Aus gangspunkt weiterer Epitaxieschritte dienen Dies ist von fundamentaler Bedeutung bei der Festlegung der Polaritat der Nitridschicht Denn bislang lassen sich nur mittels MBE Ver fahren und GaN basierter Pufferschemata reproduzierbar N polare Schichten erzeugen Eine geschlossene AIN Puffer bzw bergangsschicht welche beim MOVPE Verfahren bereits nach der Nitridierung in einer Ammoniak Atmosph re NH3 vorhanden ist bewirkt auch im MBE Verfahren in hinreichender Weise Ga Polarit t 26 Die h ufigste f r die Heteroepitaxie verwendete Orientierung des Saphirs ist die c Richtung dieser wird deswegen auch als c Saphir bezeichnet Aluminiumoxid Al O3 bildet aufgrund seiner St chiometrie keine Wurtzit Struktur sondern die danach benannte Korund Struktur aus In dieser hexagonalen Kristallstruktur wie sie in gt Abb 2 5 wiedergegeben ist nehmen die Aluminiumionen A innerhalb des Sauerstoffuntergitters nur zwei Drittel der Okta
35. TODN T p Pe z Links oben X V Rechts unten V E a unten i x5000 Spm 55 HUPE AZ KOH Abb 7 8 Bildverarbeitende Software Die im REM Bild linke H lfte als wei e Punkte wiederzu findenden whiskers k nnen hiermit halbautomatisch erfa t und ihre Dichte D bestimmt werden 92 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Mit zunehmendem Aufl sungspotential ist auch eine verst rkte Oxidbelegung der Oberfl che festzustellen n chster Abschnitt Abb 7 1 Dies u ert sich in einer ansteigenden Sauerstoffbelegung der Oberfl che mit steigendem Aufl sungspotential wie durch Augerelektronenspektroskopische AES Untersuchungen nachgewiesen wurde Der sich gleichm ig ausbildende Oxidfilm berdeckt immer mehr die verbleibenden whiskers W hrend des PEC Vorgangs s nd eventuell vorhandene whiskers wegen hrer herausragenden Lage verst rkt einem tzangriff durch den Elektrolyten ausgesetzt w hrend das restliche defektfreie Material von einem pass vierenden Oxidfilm bedeckt gehalten wird Unter die sen Bedingungen erfolgt der tzabtrag mit sehr glatter resultierenden Oberfl chenmorpho logie In der entsprechenden REM Aufnahme Abb 7 7 f sind weder whiskers noch An s tze davon zu erkennen Zu negativen Spannungen hin werden die lateralen Einflu bereiche der Versetzungslinien immer gr er Dies spiegelt sich in whiskers mit verdickten Stammdurchmessern wider und kann bei star
36. Versuchsreihen geht hervor da die Photostromdichte ein u erst hilfreiches Instrument bei der in situ Beobachtung der Grenzfl chenreaktionsgeschwindigkeit ist Bei externer galvanostatischer Regelung durch Variation der Spannungsdifferenz zwischen Halbleiterelektrode und Gegenelektrode Platindraht kann durch Vorgabe des Photostroms auch jede nahezu beliebige Atzrate lt 100nm min bei einer UV Intensit t von ca 100 mW cm eingestellt werden 6 2 Anisotropie der PEC tzung Durch die Verwendung des neu entwickelten Verfahrens der photounterst tzten na chemi schen tzung der PEC tzung im besonderen wurden bereits vielversprechende Resultate erzielt 58 67 Neben einer reproduzierbaren und recht hohen tzrate bis zu 130 nm min in unseren eigenen Experimenten besitzt das Verfahren ein anisotropes tzprofil wie es zur Strukturierung von modernen Bauelementen oder bei der Facettierung von Laserstrukturen erw nscht wird Dies wird anhand der Abb 6 3 veranschaulicht in welcher die REM Aufnahme an einer mit T tan 100 nm maskierten urspr nglich 3 um dicken n GaN Probe wiedergegeben ist An der Metallmaske wird das unmaskierte GaN stark an sotrop ge tzt Im Vordergrund der Abb 6 3 in 2um tztiefe ist nicht das Substratmaterial Saphir zu sehen sondern eine verbleibende noch ca 1 um dicke GaN Schicht mit einer geringen Oberfl chenrauhigkeit Unterhalb der Metallmaske findet m Halbleitermaterial keine Elektr
37. Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs das Metall aufgebracht und dann in einem PositivprozeB entwickelt Ebenso darf auch der an schlie ende Struktur tzschritt das Oxid nicht besch digen Da das Oxid auch von minerali schen S uren Salz Schwefel und Phosphors ure sehr leicht angegriffen und entfernt wird mu die na chemische Atzung des Metalls im pH neutralen Bereich durchf hrbar sein Wolfram W tungsten erf llt diese Eigenschaft und kann in einer pH neutralen Wasserstoff peroxyd L sung 30 H202 80 C entfernt werden Das PEC Oxid wird durch dieses typi sche Oxidationsmittel naturgem nicht ver ndert was experimentell verifiziert wurde Die Proze folge eines PEC MOS HFETs insbesondere zur Gate Metallisierung ist skizzenhaft in Abb 9 3 festgehalten Die Isolation der einzelnen Bauelemente voneinander erfolgt durch Trocken tzung in einem Argon Ionen Plasma Dabei ist es ist ausreichend 100 200 nm tief zu tzen und sog mesas zu generieren um die elektrisch leitenden obenfl chennahen Kan le zu entfernen Au er in dem Detail der Strukturierung des Gate Metalls unterscheiden sich somit die anderen Proze schritte zur Herstellung von AlGaN GaN PEC MOS HFETs nicht von denen f r kon ventionelle HFETs mesa Atz Isolationstechnik ohmsche Metallisierung RTA Ausheilschritt und evtl Kontaktverst rkung Der Querschnitt einer gefertigen PEC MOS HFET Struktur ist schematisch in Abb 9 3 1 wiedergegeben 1
38. Vorz ge von SiC wurden am Laboratorium f r Informationstechnologie aus Kosten und technologischen Griinden fast ausschlieBlich Saphirsubstrate verschiedener Her steller eingesetzt Bei Saphir erlaubt die hohe Fehlanpassung auch nach der Drehung der Kristallorientierung keine Epitaxie 1m herk mmlichen Sinne sondern es kommt unmittelbar am Grenz bergang zur sofortigen Relaxation des Nitrid Kristalls unter Ausbildung von Versetzungen die sich dann meist entlang der c Achse als Versetzungslinien im Kristall bis zur freien Oberflache weiter fortsetzen Um ihre Anzahl zu minimieren und damit die Kristallqualitat zu verbessern werden sehr unterschiedliche Techniken eingesetzt Die ge br uchlichste ist die Verwendung eines geeigneten Puffersystems Eine d nne GaN bzw AIN Nukleationsschicht ca 50 bzw 30 nm dick wird bei meist nicht optimalen Wachstums bedingungen abgeschieden und reduziert als quasi amorphe Zwischenschicht die Gitterfehl anpassung Trotz ausgefeilter Pufferstrategien verbleibt auch nach diesem Zwischenschritt eine nicht zu vernachl ssigende Gitterfehlanpassung einige Prozent Durch Einf hrung zus tzlicher Punktdefekte und neuer Versetzungen entsteht eine Ausgangsbasis template f r das weitere epitaktische Wachstum Die eigentliche Schicht w chst im weiteren nahezu ver spannungsfrei bzw relaxiert auf 2 2 2 Versetzungen Die Defektstruktur von heteroepitaktischem Gruppe III Nitridmaterial ist u erst varianten
39. Wertes ver wendet wird pH log c H O mol 45 Photoelektrochemie von AlGaN GaN Redoxpaare 2 2 ILL Leitungsband 7 1 Cr CN III A gt Br lt D Q H H I I 3 LIT Fe CN 0 i 1 Br Br BLICK ae co 2 On PERL 2 f Valenzband fh 3 SASS g ey ey ce Me 3_ 4_ 6 4 5 6 lay Set b 77 We gt Mp Ve 9 W Abb 4 3 Links Einordnung der Bandkanten von GaN in Abh ngigkeit des pH Werts des Elektro Iyten Mitte Relation der beiden elektrochemischen Spannungs bzw Energieachsen zueinander Rechts Verteilung von wichtigen Redox Systemen und ihre Relation zum Vakuumniveau 46 Photoelektrochemie von AlGaN 4 2 2 Ladungstransfer Wie in Abb 4 2 angedeutet kann ein direkter Elektronenaustausch zwischen dem Halb leiter und dem Elektrolyten ber die Grenzfl che zwischen Zust nden im Leitungsband conduction band CB des Halbleiters und Zust nden des Redox Systems erfolgen jedoch nur f r Elektronen mit ausreichender Energie Die prinzipiell reversiblen Austauschreaktionen von Elektronen des Leitungsbandes Oxidation und Reduktion lauten dann mit den asso zilerten Reaktionsraten kox und Kreg kox Red Ox te k Red kox u z B H N 2H O 2H O 2e im sauren pH Bereich 4 16 krea kox 2x bzw 20H H O 2e im alkalische n pH Bereich e
40. ab 84 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Die Formierung von whiskers kann jedoch bei Verwendung von negativeren Spannungen gegen ber der Referenzelektrode in dem Sinne stabilisiert werden da die whiskers dickere St mpfe ausbilden und damit auch mechanisch stabiler sind In gleichem Ma e ist auch eine Ausweitung hres Wachstums von den Maskenbegrenzungen her ber die ganze unmaskierte Probenoberfl che hin festzustellen Durch Vergleich von Mikroskopaufnahmen innerhalb einer Probenreihe am gleichen Waferstiick stellt man auch bei Verwendung unterschied licher Atzparameter fest da die Dichte dieser neuartigen tzgebilde nahezu identisch bleibt Ihre Dimensionen der Durchmesser und die H he der whiskers sind durch das poten tiostatisch eingepr gte Aufl sungspotential bzw die Photoladungsdichte gleichbedeutend mit der Atztiefe Abschnitt 6 1 bestimmt Starke Abweichungen zu geringeren Dichten sind jedoch bei Anwendung von positiveren Spannungen festzustellen hier sind die geform ten Nanostrukturen zunehmend instabil und ihr Durchmesser n mmt teilweise Werte kleiner als 20 nm an In der Tat sind in vielen REM Aufnahmen abgebrochene whiskers beobachtbar zum Teil verbleiben die abgebrochenen Nanostrukturen am Atzgrund Abb 7 7 c und d Abb 7 3 Einflu der Maskengeometrie auf das Auftreten von whiskers Zuriickgesetzte Atzgebiete kleine Offnungswinkel sind stark mit whiskers dekori
41. akkuraten Kenntnis der Schichtdicke Die hierbei auftretenden Ungenauigkeiten speziell f r die d nnen und damit elektrisch interessanten Oxidfilme machen eine exakte Fixierung des Zahlenwerts f r die dielektrische Konstante der PEC Oxide kaum m glich weshalb hiervon Abstand 122 Eigenschaften des PEC Oxids genommen wird Grunds tzlich ist aber eher eine Abweichung nach unten von dem Wert 9 9 10 2 100 f r per Elektronenstrahl Verdampfung abgeschiedene Ga gt 50 Filme zu beobachten Wie auch bei anodischen Oxidfilmen auf GaAs 101 liegt der Wert f r e mit 7 8 deutlich niedriger im Vergleich zu extern aufgebrachten Ga2O3 Filmen In diesem Zusammenhang ist auffallend da die aus AES Untersuchungen bestimmte PEC Oxidschichtdicke in allen bekannten F llen geringer ausf llt als die profilometrische bzw auch optisch ermittelte Pr ferentielle Sputter tzung des Oxidfilms durch die bei der AES Analyse verwendeten Argon Ionen k nnte eine Erkl rung daf r sein Plausibler ist jedoch da durch den chemischen ex situ Abtrag des Oxids dieser kann etwa durch kurzes Dippen 10 s der PEC oxidierten Probe in konzentrierter Salzs ure HCI geschehen auch die in der Tiefenanalyse gt Abschnitt 8 1 beobachtete Gallium Oxynitrid Gax 9O 9N3x Zwischen phase teilweise oder gar ganz mit entfernt wird Durch die Anwendung der beschriebenen neuartigen und einfachen Oxidationstechnik wurden trotz des relativ fr hen Entwick
42. anodically oxidized layers of single crystal GaP Appl Phys Lett 33 447 1978 D Mistele Technology of AlGaN GaN Heterostructure MOSHFETs Dissertation Universitat Hannover 2003 S D Wolter J M DeLucca S E Mohney R S Kern C P Kuo An investigation into the early stages of oxide growth on gallium nitride Thin Solid Films 371 153 2000 D Fu Y H Kwon T W Kang C J Park K H Baek H Y Cho D H Shin C H Lee and K S Chung GaN metal oxide semiconductor structures using Ga oxide dielectrics formed by photoelectrochemical oxidation Appl Phys Lett 80 446 2002 M V Klein in Light Scattering in Solids IV M Cardona Ed Topics in Applied Physis 8 Springer Berlin New York 1975 Seite 147 V V Emtsev V Yu Davydov V V Kozlovsku V V Lundin D S Poloskin A N Smirnov N M Shmidt A S Usikov J Aderhold H Klausing D Mistele T Rotter J Stemmer O Semchinova and J Graul Point defects in Y irradiated n GaN Semicond Sci Technol 15 73 2000 180 Literaturverzeichnis 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 V Yu Davydov and A Usikov Optical and electronic properties of GaN based layers and structures grown by MOCVD on sapphire substrates Final report based on Auftrag Nr JA4 99 5016 5210 B GaN Strukturen E D Readinger S D Wolter D L Waltemyer J M DeLucca S E Mohney B I Prenitzer L A Giannuzz
43. auf ca ein Viertel des Maximal wertes zu Beginn der UV Anregung ab und ist von nun an diffusionslimitiert Dieser Wert bleibt bei Fortsetzung des Experiments auch in einem gro en Zeitraum 1 h und mehr nahezu konstant Wie in separaten Experimenten gezeigt werden konnte ist der Photostrom in diesem Stadium eines Experiments auch bei Variation der Beleuchtungsst rke von universeller Art Dieses Ph nomen wird im Abschnitt 7 2 2 dieses Kapitels genauer erl utert Einschalten der UV Beleuchtung 2 5 ger a 20 er L 15 1 0 x O K Ka O 0 5 i Js 0 0 0 100 200 300 1000 2000 3000 4000 Zeit s Abb 7 2 Chronopotentiogramm einer n GaN Elektrode in 2x10 m KOH 0 2 VvsSCE Unmittel bar nach Einschalten der UV Beleuchtung sinkt der Photostrom auf ein konstantes niedriges Niveau das auch nach 1 h fast unver ndert beibehalten wird 83 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation 7 1 Defektsensitives Atzen und Ausbildung von whiskers Im Ubergangsbereich zwischen reaktions und diffusionslimitiertem PEC Atzen und Spannungswerten kleiner 0 2 VvsSCE Abb 7 1 findet bei der photoelektrochemischen tzung von n GaN die Generation von whiskers statt Dieser Bereich des defektsensitiven tzens ist vor allem f r die Beurteilung der Qualit t des heteroepitaktisch aufgewachsenen Materials interessant da die tzbilder unmittelbar die Anzahl der Versetzungslinien wieder geben 7 1 1 Das Auftreten
44. aufgewachsenen AlGaN Schicht befindet sich eine Fl chenladungsdichte 6 von 1 68x10 cm Die Elektronendichte n ist lokalisiert am Grenz bergang 2DEG und nimmt dort sehr hohe Werte gt 6x10 cm an Die integrierte Gr e der Fl chenladungsdichte n bestimmt sich zu 1 48x10 cm Schraffiert sind die Umrisse der beiden quantisierten Wellenfunktionen der loka lisierten Elektronen Energiezust nde wiedergegeben Die ermittelte Elektronenanzahldichte und die elektrische Feldst rke E erreichen ihren Maxi malwert von ca 6 2x10 cm bzw 2 MV cm am Grenz bergang Die integrale Gr e der Fl chenladungsdichte n sheet carrier density des 2DEGs ndx ist in dieser undotierten Schichtstruktur nach oben durch die polarisationsbedingte Quasidotierung die Grenzflachen 32 Polarisation ladungsdichte beschr nkt was dem Fall einer unendlich dick aufgewachsenen Al Ga xN Deckschicht entsprechen w rde Dies ist aber zum einen vom technologischen Standpunkt nicht realisierbar kritische Schichtdicke zum anderen ist dies nicht w nschenswert im Hinblick auf das Schaltverhalten eines darauf basierenden Transistors gt Transistor Steilheit und Serienwiderstand der AlGaN Deckschicht Zusammen mit der Randbedingung da die Schottky Barrierenh he P in diesem Fall gerade einem typischen Wert von 1 23 eV 10 45 entsprechen soll resultiert f r die Daten x 0 3 und d AlGaN 30 nm aus der 1 D Simulation eine Fl
45. ederl cken ein 27 Al lonen unbesetzte Al Untergitterpl tze O lonen der Unterschicht A O lonen der Unterschicht B Be 00 Abb 2 5 Idealisierte Korund Kristallstruktur des Saphirs 16 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN Tabelle 2 3 Struktureller Vergleich von GaN mit m glichen Substratmaterialien aus Ref 28 koeffizient 0 10 K f higkeit A W cmK re ao Wurtzit Re 6H 4H Al O3 Saphir ZnO Zinkoxid Wurtzit GaAs Zinkblende a 5 6533 60 a Saphir d GaN Die Gitterfehlanpassung zum c Saphir ist in der Wachstumsebene c Ebene d Saphir zun chst rein rechnerisch gleich 33 0 Substituiert der Stickstoff hingegen w hrend der Nitridierung den Sauerstoff auf den energetisch g nstigen Positionen seines Untergitters Abb 2 5 so reduziert sich die Gitterfehlanpassung weiter auf 16 1 Dies geht mit einer Umorientierung der Kristallrichtungen einher Die hexagonalen Kristallachsen von GaN sind dann in der Wachstumsebene in bezug auf die des Saphirs um 30 verdreht gt Abb 2 6 bio boto una LOI0 Bio 23 w hrend die c Richtung beibehalten wird 0001 can 0001 2 4 Eine Vereinzelung der Epitaxieschichten durch Spaltung ist dadurch erheblich erschwert weswegen hierzu am LfI typischerweise eine diamantverstarkte Blatts ge verwendet wurde 17 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN 2110 sechszahlig 2 LO saphir
46. extrem hohen Temperaturen teilweise aufgebrochen wird Dabei mu gleichzeitig gem dem Prinzip von le Chatelier ein au erordentlich hoher Druck aufgebracht werden um eine vorzeitige Zersetzung von Galliumnitrid in seine Komponenten Gallium und Stickstoff zu verhindern Diese kann unter Normaldruck bedingungen bereits bei Temperaturen gr er als 850 C einsetzen Es ist daher direkt einsichtig da eine technologische Gewinnung von GaN w e f r andere Halbleiter materialien blich Si Ge GaAs im Schmelzzieh Verfahren als Einkristall unm glich ist Weltweit einzigartig ist die Gewinnung freistehender GaN Einkristalle in cm Gr e am Unipress Institut Warschau Polen mittels eines kombinierten Hochdruck u Hochtemperaturprozesses 23 Dabei entsteht der Kristall unter einem Temperaturgradien ten bei ca 1600 C und in einer Stickstoffatmosph re von mehreren kbar Druck in einer Gallium Schmelze in welcher Stickstoff atomar gel st vorliegt Seit kurzer Zeit entwickelt das amerikanische Unternehmen TDI nach eigenen Angaben 24 ein Sublimationsverfahren das einen GaN Impf oder Keimkristall zur Herstellung von bulk GaN benutzt Bislang konnten auf diese Weise 2 5 gro e allerdings noch gr tenteils polykristalline GaN Wafer hergestellt werden Eine praktikable Alternative dazu ist das epitaktische Wachstum sehr dicker GaN Schichten 20 um und mehr auf Fremdsubstraten meist Saphir mittels HVPE halide vapor phase epit
47. gekoppelten RC Gliedern Deswegen ist es dringend erforderlich vor der CV Charakterisierung den Oxidfilm zu entfernen Dazu gen gt es nach dem Stop der Oxidation Abschalten der UV Beleuchtung f r n Typ AlGaN die Diffusionszone m Elektrolyten mass v zu st ren z B durch einen Drucksto mit fri 166 Anhang schem unverbrauchten Elektrolyten n Richtung der benetzten Halbleiteroberfl che Durch die Wiederanhebung des pH Werts in der N he des Oxidfilms kann sich letzterer wieder leicht aufl sen Mit dem ECV Profiler der Firma WEP Furtwangen 141 142 143 l t sich dies leicht automatisieren in immer wiederkehrenden Sequenzen Oxidation unter UV Be leuchtung Aufl sung des Oxids Oxidation Abb E 3 Darstellung zur zyklischen Oxidation von n AlGaN Nach der Oxidationsphase unter UV Bestrahlung wird das gebildete diinne Oxide durch eine Verwirbelung der Diffusionszone mit Hilfe eines Elektrolyt Pumpsto es wieder aufgel st Das transiente Verhalten des Photo Stroms ist ge kennzeichnet durch den reaktionslimitierten Anfangsspitzenwert Ip und seinen Endwert Ip im diffu sionslimitierten Auslauf So ist in gt Abb E 3 die Sequenz der zyklischen Oxidation mit optimierten Zeiten von 10 bzw 2 Sekunden f r die Oxidation und die Relaxation der Oberfl che nach dem Pumpsto schematisch wiedergegeben 139 Der hohe Wert des reaktionslimitierten Anfangswert Ir des Photostroms geht rasch und asymptotisch in den diffus
48. gew hnlichen Borglasoptik allein l t den photounterst tzten tzabtrag von GaN o nicht zu und mu te f r diese Zwecke um einen HeCd Laser bzw UV Lichtquelle und geeignete UV Optik erweitert werden 69 Photoelektrochemische Charakterisierung 70 PEC Atzen im reaktionslimitierten Regime Kapitel6 PEC Atzen im reaktionslimitierten Regime 6 1 Der Mechanismus der PEC Atzung und Atzrate Die Bereitstellung von photogenerierten L chern kann mit einer Abgabe von Elektronen an der Oberfl che gleichgesetzt werden Sind diese Elektronen nicht durch einen Transfer ber die Grenzfl che bereitgestellt so wird das Nitridmaterial dabei gem der folgenden Gleichung oxidiert GaN 3h Ga 1 2N T 6 1 Diese elektrochemische Teilreaktion wurde erstmals von Youtsey 58 postuliert und erkl rt zugleich die Entstehung von geruchlosen und wasserunl slichen Gasbl schen N2 in unseren Experimenten Die Generierung bzw die Pr senz von Blasen am Dichtungsring der elektro chemischen Zelle kann w hrend des Experiments sehr leicht beobachtet werden Ohne Bl schen ist das Erscheinungsbild der UV beleuchteten und vom Dichtungsring begrenzten GaN Fl che hellgelb und kreisrund Die Gelbf rbung r hrt von der f r GaN typischen gelben Lumineszenz Eine Abweichung von einem kreisrunden Profil deutet auf anhaftende Bl schen hin Ihr Auftreten kann den Fortgang der tzreaktion in passiver Weise negativ beeinflussen und m Extrem
49. hergestellt Die MBE ist ein Verfahren zur Abscheidung von d nnen in ihrer Zusammensetzung und Schichtdicke genau kontrollierbaren Halbleiterschichten mit einer typischen Wachstumsrate von 0 2 1 5 um h Die festen Ausgangsstoffe Gruppe II Metalle und die Dotierstoffe Silizium bzw Magnesium werden aus Effusionszellen sog Knudsenzellen verdampft Angeregter molekularer bzw auch atomarer rad kaler Stickstoff wird durch RF radio fre quency Plasmaquellen als reaktive Gruppe V Spezies bereitgestellt Aufgrund des sehr gerin gen Hintergrunddrucks in der gek hlten Kammer typischerweise lt 10 mbar w hrend eines Wachstumsprozesses erreichen die Atomstrahlen das Substrat ungehindert bei ge ffneten Zellenverschlu klappen shutter Die formale Gesamtreaktion auf der Substratoberfl che wird hier beschrieben durch Ga ana 15 N3 crane BZW N sn 2 GaN A fest Genauere Einzelheiten zum Verfahren der PAMBE und die typischen Eigenschaften der da mit gewonnenen Nitridschichten sind den Dissertationsschriften von J Stemmer und F Fedler zu entnehmen 130 131 F r das Wachstum der Gruppe III Nitride wird weltweit am h ufigsten das MOVPE Verfah ren benutzt Die MOVPE arbeitet typischerweise bei einem Druck zwischen Atmosph ren druck und 10 mbar und bietet die M glichkeit des simultanen Wachstums bis zu einem qui valent von 21 2 Zoll Substraten 132 Damit bietet sie bei einer vergleichsweise hohen
50. ist und deswegen der Maximalwert des Photostroms in beiden F llen zu Beginn der zweiten Bestrahlungsperiode deutlich reduziert ist Dies ist in bereinstimmung mit ex situ Beobachtungen prozessierte Probenst cke mit einer optisch erkennbaren d nnen Oxidschicht lt 100 nm verlieren diese innerhalb kurzer Zeit 30 60 s durch Dippen in einer 0 1 m KOH L sung bereits bei Raumtemperatur 20 C Das Oxid bleibt also in Elektrolyten mit geringerem pH Wert zwar weiterhin l slich jedoch bestimmt die Kinetik der Umformung des Oxids gt Gleichung 7 2 in diesen schwach alka lischen Elektrolyten im wesentlichen den Fortschritt der photoelektrochemischen tzung von GaN Bei Elektrolyten mit einem pH Wert kleiner als 11 5 findet kaum mehr ein Abtrag des Oxids statt Die Zeitkonstante f r die Aufl sung des Oxids w chst damit im Rahmen unserer Experimente auf unendlich an Da weiterhin eine Diffusion von Reaktionspartnern durch die st ndig anwachsende Barriere n Form eines schwach abfallenden Photostroms beobachtbar ist w chst das Oxid monoton in seiner Dicke an Der Wertebereich f r die Dicke von experi mentell generierten Oxidfilmen deckt den Bereich von wenigen Nanometern bis zu mehr als 1 5 um ab Unmittelbar nach der PEC Oxidation werden die oxidierten Probenst cke optisch kontrolliert Bei Verwendung von typischen Oxidationsparametern Abb 7 1 erscheint die sich aus bildende Oxidschicht ber gro e Fl chenanteile homoge
51. r da ober flachennah alle Ga N Bindungen aufgebrochen und durch entsprechende Ga O Bindungen ersetzt worden sind Der Stickstoff ist dabei vollst ndig entwichen Nach Korrektur mit den element spezifischen Emissionskoeffizienten ist laut AES das st chiometrische Verh ltnis von Sauerstoff zu Gallium nahezu 3 2 107 Dies gilt typischer weise f r all diejenigen PEC Oxide welche mit einem Aufl sungspotential um 0 VvsSCE generiert werden Abb 7 1 Das vorgefundene st6chiometrische Verh ltnis deutet auf eine Ga gt 0 Phase hin wie sie auch bei anderen anodisch oxidierten Ga V Halbleitern wie GaAs oder GaP vorliegt Ein wesentlicher Unterschied dazu ist jedoch festzuhalten f r das PEC oxidierte GaN sind im Gegensatz zu den beiden anderen III V Halbleitern keine oxidierten 109 Eigenschaften des PEC Oxids oder elementaren Gruppe V Komponenten wie z B As2O3 bzw As anzutreffen was von Vorteil f r die elektrische Qualit t des Oxid Nitrid Grenziibergangs ist 101 Der Mecha nismus der PEC Atzung bzw Oxidation wurde bereits in Kapitel 6 1 und in Kapitel 7 2 dargelegt und auch anhand der Valenz z nachgewiesen Dabe entweicht der urspr nglich chemisch gebundene Stickstoff gasf rmig in molekularer Form als No GaN pre a rd o u differentielle Z hlrate willk Einh GaN nach PEC Oxidation 200 400 600 800 1000 Energie eV Abb 8 1 Gegen berstel
52. r einen Al Ga N GaN bergang einige 10 Nanometer an 28 Polarisation Abb 3 1 Schematische GaN AlGaN Heterostruktur Auf dem unverspannten Ga polarem GaN w chst Al Ga N unter tensiler Verspannung auf Zus tzlich zu der spontanen Komponente der Polarisation P ist somit im tern ren Material eine piezoelektrische Komponente P vorhanden Der Unterschied der normalen Komponente an der Grenzfl che der Gesamt Polarisation P bewirkt eine positive Grenzfl chenladung 6 welche durch die Bildung eines 2DEGs im GaN kompensiert wird Die Grenzfl chenladungsdichte ergibt sich nach Gleichung 3 7 zusammen mit der Gleichung 3 6 und den Zahlenwerten aus der gt Tabelle 3 1 und Tabelle 3 2 durch die folgende Arbeitsgleichung 0 x 0 9 pier iP 0 u P X 10 u Is X p co haO CR 0 029C m2 P x 2 a x ents ea 0 49 0 11xx 0 73 0 73xx x C m gt 3 8 103 5xx 405 32x x 0 077 x x 3 189 0 077 x x 0 052x x C m2 12 29 Polarisation Die Abh ngigkeit der Grenzfl chenladungsdichte o x vom Aluminiumanteil x ist wiederge geben in Abb 3 2 und l t sich wie die Polarisation selbst in zwei Anteile untergliedern einen linearen Anteil Gsp und einen leicht nichtlinearen Anteil Opiezo welcher der Differenz in der spontanen erster Klammerausdruck in Gleichung 3 8 bzw der piezoelektrischen Polarisation zweiter Klammerausdruck zuzuordnen ist In de
53. tz und Oxida tionsstudien bin ich folgenden Forschungsgruppen sehr dankbar imec Ghent Belgien Zahia Bougrioua und Ingrid Moerman viele hervorragende HFET Strukturen entstammen aus ihrem MOVPE Reaktor GaN Gruppe der Universitat Ulm Dr Markus Kamp Veit Schweg ler und Matthias Seyboth AIXTRON AG Aachen Prof Michael Heuken SVT Associates Inc Eden Prairie MN USA P P Chow und der Universit t Sankt Petersburg Ru land A S Usikov und V Yu Davydov Vielen Dank auch an Thomas Wolff WEP Furtwangen im Schwarzwald mit dessen Hilfe die Ergebnisse meiner experimentellen Arbeit in ein industrielles Produkt bergef hrt werden konnten f r seine Freundschaft und rege Diskussionsbereitschaft Einen herzlichen Dank haben sich auch meine zwei Korrekturleser Christian Ha und Stefan L thje redlich verdient Uns glich dankbar bin ich f r die stete Unterst tzung und das Verst ndnis das mir von Seiten meiner eigenen Familie Eltern und Schwiegereltern entgegengebracht wurde Danke Name Geburtsdatum Geburtsort Familienstand Staatsangehorigkeit Schulbildung Sep 1976 Juli 1980 Sep 1980 Juli 1984 Sep 1984 Mai 1989 Bundeswehrdienst Juni 1989 Aug 1990 Ausbildung Okt 1990 Dez 1996 Nov 1995 Dez 1996 Berufliche Tatigkeiten Marz 1997 Dez 2001 seit Feb 2002 LEBENSLAUF Thomas Rotter 7 Marz 1970 Immenstadt 1m Oberallgau verheiratet 3 Kinder deutsch Grundschule Ka
54. und f r eng begrenzte Wachstumsbedingungen aufrechterhalten werden Prim r sollte eine m g lichst gute Gitteranpassung vorhanden sein um bei der Heteroepitaxie die Anzahl von zwangsl ufig gebildeten Defekten m glichst gering zu halten Insbesondere ist wegen des gro en Unterschieds zwischen Wachstums und Raumtemperatur eine gute bereinstimmung im thermischen Ausdehnungsverhalten speziell in der Wachstumsebene w nschenswert da eine ungleichm ige Ausdehnung nach dem Wachstumsproze die Epitaxieschicht verspannt Im Extremfall kann sogar Ri bildung auftreten In der Tabelle 2 3 ist neben den struk turellen Gitterparametern von GaN AIN und geeigneten Substraten auch die thermische Leit f higkeit im Hinblick auf Leistungsanwendungen aufgef hrt In den meisten F llen dient Saphir Al O als Substratmaterial Aus der Tabelle 2 3 er scheint dies zun chst nicht einsichtig Saphir ist aber zum einen unproblematisch in der Epita xie Vorbehandlung und zum anderen in hervorragender Kristallqualit t bei ausreichender Substratfl che und annehmbarem Preis verf gbar Zudem bietet es die M glichkeit der Nitri dierung was den Keimbildungs bzw Nukleationsproze erleichtert und die Eigenschaften der nachfolgend epitaktisch aufwachsenden Schicht positiv beeinflu t W hrend der Nitri dierung sind die Saphirsubstrate meist bei hohen Temperaturen einem Stickstoffplasma MBE oder Ammoniakflu MOVPE HVPE ausgesetzt was an der
55. und Oxidation Clusterreste mit 1011 Seitenflachen vorzufinden Abb 7 5 Die Seitenfl chen bilden mit der Substratflache einen Winkel von ca 60 was recht gut mit dem theoretisch zu erwar tenden Winkel von 58 4 bereinstimmt Bei Verwendung der simple wet etch Technik in einem verd nnten Elektrolyten pH 13 sind nach 15 min bei Raumtemperatur zwar auch schon Ans tze der kristallographisch bedingten Atzung zu erkennen Abb 7 4 die Ausz hlung der whisker Ans tze ist jedoch weiterhin m glich D 4 0 1 3x10 cm Pyramiden mit 1011 Seitenfl chen werden ebenfalls von Ng et al 82 beim anisotropen Atzen von N polarem GaN in w riger KOH L sung beobachtet Ng bestimmt in dieser Arbeit die Aktivierungsenergie E zu 0 59 eV und zeigt auch die Selektivit t der Atzung gegen ber Ga polaren GaN Schichten auf Eine atomistische Erkl rung f r die polaritats selektive Atzung von GaN welche sogar bei entsprechender Waferpr paration direkt beobachtet werden kann 83 geben Li et al in Ref 84 Entsprechend entstehen bei unseren Experimenten wie auch bei Ng 82 beim Atzen von unmaskierten Ga polaren GaN Schichten in hei er KOH L sung 80 C bzw bei Stocker 68 in KOH Schmelze teilweise hexagonale Atzgruben mit 1011 Seitenfl chen ae OKU mm El x50000 lmm 10k HOT ATEGA_SONI LFI UNI H Abb 7 5 REM Aufnahme der gleichen N polaren MBE n GaN Probe wie in gt Abb 7 4 nach rein
56. wird Aufl sungs Oxidations Dicken Widerstand spez potential zeit angabe Q Widerstand VvsSCE min nm Qcm gt 9 8x10 same o e 1m faaoo 1000 1200 ae o 0 120 180 33 010 2310 oc Q3 2gs 0 90 150 200 4 7x10 42x10 1 6x10 Q23e 0 900 gt 400 gt 3 0x10 1 80x10 lt 8 0x10 Wie aus der gt Tabelle 8 1 mit Kenndaten ausgew hlter MOS Strukturen entnommen werden kann nimmt der spezifische Widerstand des PEC Ga203 Oxids Werte bis zu 3x10 Qcm an Im Vergleich zu Gaz x Gd O3 Dielektrika auf GaAs mit state of the art Werten um 10 10 Qem 100 bzw SiO 10 Qcm ist dies ein beachtlicher Wert Erstere wurden mit Hilfe von Elektronenstrahl Verdampfung innerhalb einer MBE Umgebung aufgebracht Die Qualit t der PEC generierten Galliumoxidfilme l t sich auch anhand ihrer Durchbruch festigkeit einordnen V 0 6 MV cm Als absolute Vergleichsma st be dienen hier wieder Filme aus Ga gt Gd O und SiO mit Werten um 3 6 MV cm 100 bzw 10 MV cm 116 Eigenschaften des PEC Oxids 8 2 2 Grenzfl cheneigenschaften Die Grenzfl cheneigenschaften des PEC generierten Oxids werden anhand von CV Unter suchungen analys ert F r die Darstellung des CV Verhaltens wird die oben angegebene Struktur S_3 2e 100 nm dickes Oxid Tabelle 8 1 verwendet um durch Leckstr me verursachte Effekte ausschlie en zu k nnen Die Analyse der konventionellen 1 C V Darst
57. 0 0n 1 6 18 0n 1 4 16 0n 12 LLI IL 14 0n 1 0 E 08 O 420n 06 o 10 0n O 0 4 8 0n samme 0 2 7 J 0 0 1 0 0 5 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 0 Spannung VvsSCE 6 0n Abb 5 7 Darstellung der Halbleiter Kapazit t C und ihres reziproken quadratischen Wertes Cy in Abh ngigkeit von der angelegten Spannung Aus der Darstellung wird die Flachbandspannung Vp Schnittpunkt und die Dotierung Np Steigung des Halbleiters entnommen Wegen der hohen Ladungstr gerkonzentration und der daraus resultierenden Durchbruch effekte auch ohne UV Beleuchtung st es jedoch auch mit dem elektrolytischen Kontakt nicht m glich die Raumladungszone beliebig weit in das Halbleitermaterial hinein auszu dehnen hier weniger als 10 nm Damit bleibt eine Aussage ber die Dotierstoffkonzentration oder gar ein tiefenaufgel stes Profil stets limitiert auf diesen oberfl chennahen Bereich Wollte man nun ein ber den oberfl chennahen Bereich hinausgehendes Profil aufnehmen m te nun bei einem metallurgischen Halbleiter Kontakt das Metall selektiv ge tzt werden in einem tzschritt ein wohl definierten Materialabtrag des Halbleiters herbeigef hrt und anschlie end erneut ein Schottky Kontakt aufgebracht und eine CV Messung durchgef hrt werden Dieses Vorgehen ist n jedem Fall umst ndlich zeitaufwendig und auch extrem fehleranfallig 68 Photoelektrochemische Charakterisierung Anders verh lt es sich beim ECV Pr
58. 29 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs PEC Oxid AlGaN GaN f PEC Oxid AlGaN Wolfram PEC Oxid AlGaN Aad Wolfram ie 7 PEecoxd Wi h AlGaN Wolfram PEC Oxid AlGaN GaN Abb 9 3 Schematischer Proze ablauf f r die Herstellung von PEC MOS HFETs Die HFET Struk tur a wird unmittelbar nach der PEC Oxidation b ganzfl chig mit Wolfram beschichtet c Die Metallschicht bewahrt das darunterliegende Oxid vor dem unmittelbaren Kontakt mit dem basischen Entwickler w hrend der Strukturierung des Gates d Nach dem tzen des Wolframs e in einer pH neutralen H 0 gt L sung und Entfernung des Photolacks f werden die Source und Drain Kontakte in lift off Technik g h aufgebracht Dabei kommt es zu einer geringen lateralen Unter tzung im Oxid Nach der mesa Isolation beendet eine RTA Behandlung der PEC MOS HFET Struktur i zur Verbes serung des Kontaktverhaltens die Herstellungssequenz 130 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs 9 2 Die weltweit ersten PEC MOS HFETs Der weltweit erste MOS HFET mit einem PEC Oxid als Gate Dielektrikum wurde von uns 2001 vorgestellt 123 124 Die dabei verwendete HFET Struktur besteht aus einer 3 um dicken MOVPE GaN Basisschicht auf welcher eine 30 nm dicke Alo2Gao N Schicht pseu domorph aufgewachsen ist beide sind nominell undotiert Die elektrischen Kenndaten dieser Probe Fl chen
59. 3833 2000 P Schmuki D J Lockwood J W Fraser M J Graham and H S Isaacs Formation and Properties of Porous GaAs Mater Res Soc Symp Proc 431 439 1996 P Schmuki L E Erickson D J Lockwood J W Fraser G Champion and H J Labb Formation of visible light emitting porous GaAs micropatterns Appl Phys Lett 72 1039 1998 T Wolff M Rapp and T Rotter Electrochemical Etching and CV Profiling of GaN phys stat sol a 201 2067 2004 T Wolff M Rapp and T Rotter Electrochemical etching and CV profiling of GaN phys stat sol c 2 990 2005 Thomas Wolff Ingenieurb ro Wolff f r Elektronik und Programmentwicklungen Furtwangen im Schwarzwald User Manual zum Wafer Profiler CVP 21 T Wolff M Rapp and T Rotter Automated Electrochemical CV Profiling of LED Structures on Wafer Scale phys stat sol c 1 2417 2004 T Wolff M Rapp and T Rotter Automated Electrochemical CV Profiling of MOVPE structures on wafer scale Posterpr sentation 12 International Conference on Metal Organ c Vapor Phase Epitaxy 2004 T Wolff M Rapp and T Rotter Electrochemical CV Profiling of GaN phys stat sol c 1 2491 2004 183 DANKSAGUNG Allen die zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben danke ich Prof Dr Ing J rgen Graul danke ich f r das Vertrauen das er mir entgegen gebracht hat sowie den Freiraum und die Unterst tzung bei der Bearbeitung des multi
60. 4 Die starken Bindungsverh ltnisse innerhalb der Gruppe III Nitride sind auch der Ursprung f r den Mangel an geeigneten na chemischen Strukturierungsm glichkeiten Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung einer photounterst tzten na chemischen tzung von n AlGaN In Kapitel 4 werden zun chst die anwendungsspezifischen elektrochemischen Grundlagen dargelegt welche m nachfolgenden Teil der Arbeit ben tigt werden Danach wird in Kap tel5 die AlGaN Elektrolyt Grenzfl che als neuartiges Analysemittel zur Charakterisierung und Evaluierung von einigen wichtigen Schichtparametern benutzt Einleitung In Kapitel 6 folgt die Beschreibung des Mechanismus welcher der anisotropen PEC photoelektrochemischen Atzung von n Typ Gruppe III Nitriden zugrunde liegt zun chst f r das reaktionslimitierte Regime Beim bergang zum diffusionslimitierten Regime Kapitel 7 wie es bei verd nnten Elektrolyten und angepa ter Beleuchtung vorliegt treten als markante tzfiguren nadelf rmige Relikte auf sog whiskers welche als ver bleibendes Restmaterial um Versetzungslinien n den heteroepitaktisch aufgebrachten Nitrid filmen identifiziert werden Dies wird als einfache Technik zur Bemessung der Anzahldichte von Durchsto versetzungslinien 10 10 cm benutzt Eine Erkl rung f r das Entstehen der whiskers bei diesem Proze wird anhand des dynamischen Zusammenspiels von photoge nerierten L chern und
61. 40 50 60 Abb 9 9 Ausgangskennlinienfeld eines Tandem PEC MOS HFETs bei 300 C 143 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs 9 3 Andere innovative Transistortypen Die oben gewonnenen Ergebnisse sind auch an qualitativ hochwertigen AlGaN GaN Hetero strukturen Upeo 2 1100 cm Vs verifiziert und sogar verbessert worden 41 Solche HFET Strukturen MOVPE wurden uns freundlicherweise von IMEC in Belgien f r diese Untersu chungen zur Verf gung gestellt Basierend auf diesen und obigen Ergebnissen wird deutlich da die PEC Oxidationstechnik sowohl in der Kontakt als auch in der Gate Technologie von modernen AlGaN GaN HFETs ein sehr hohes Potential besitzt und eine entscheidende Rolle spielen kann Geringere Kontaktwiderst nde k nnen wie oben beschrieben durch die Entfernung eines global generierten Oxids in den ffnungsbereichen des Photolacks f r die ohmsche Metalli sierung erzielt werden Der Widerstand innerhalb der Probe in der oberen meist undotierten AlGaN Schicht wird dadurch verringert Eine andere Methode zur Reduzierung des Kontakt widerstands ist die der GaAs Technologie entlehnte Methode des gate recessing s Zur ck setzen der Steuerelektrode F r eine Metallisierung mit geringem Kontaktwiderstand soll ein nach M glichkeit dotierter GaN Kontaktbereich zur Verf gung stehen Hintergrund f r die Verwendung einer extra GaN Kontaktflache ist da sich ohmsche Kontakte auf GaN mi
62. 40 um Der maximale Drain Strom Igmax erreicht bei einer Drain Source Spannung Vas von 15 V einen Wert von 21 7 mA bzw 543 mA mm bei einer Gate Source Spannung V von 5 V Auffallend am Ausgangskennlinienfeld ist ein linearer offset Selbst bei vollst ndig verarmtem Gate Kanal flie t f r Gate Source Spannungen V lt 4 V ein nicht verschwindender Drain Strom Daf r sind periphere parallele Strompfade verantwortlich welche bei der mesa Isolation nicht entfernt bzw zerst rt wurden Aus dem Graphen l t sich dem parasit ren shunt Widerstand ein normierter Widerstand Rshunt von 161 Qmm zuord nen Die Probe besitzt einen Fl chenwiderstand sheet resistance Ra en u von 2740 Q LI Mit einem ermittelten spezifischen Kontaktwiderstand p von ca 3x10 Qem ergibt sich der normierte Kontaktwiderstand R p R zu 9 1 Qmm Sein doppelter Wert stimmt in guter N herung mit dem um den shunt Widerstand korrigierten Serienwiderstand R 18 4 Qmm ge sen ber 16 6 Qmm von Source Rs und Drain Rp Widerstand berein 2R R Rs Rp Der Widerstand R des linearen Bereiches Triodenbetrieb des Transistors wird somit haupt s chlich vom ohmschen Verhalten der per Elektronenstrahlverdampfung aufgebrachten T1 Al Kontakte bestimmt Wegen hres hohen Widerstands f llt auch die Kniespannung bei welcher das anf nglich lineare Verhalten der Kennlinie in die S ttigung bergeht ungew hnlich hoch aus Nach einer Korrektur um den shunt Widerstand
63. Aufl sungsrate des Oxids verkn pft Das Atzverhalten der Gruppe II Nitridschicht ist somit entkoppelt von den st renden Effekten Im besonderen von den die Oberfl che senkrecht durchstoBenden Versetzungslinien welche die oberfl chennahe Verteilung der beteiligten L cher als Minorit tsladungstr ger stark irritieren und somit generell die Topologie des ge tzten Bereichs verschlechtern Deswegen ist f r einen gleichm igen reproduzierbaren und gleichzeitig sehr glatten PEC Atzabtrag eines Gruppe III Nitrids die Existenz einer d nnen Oxidschicht vorteilhaft und w nschenswert Das Ergebnis einer PEC tzung unter Oxidkontrolle ist als AFM Aufnahme atomic force microscopy in Abb 7 21 wiedergegeben tz bzw Oxidationskonditionen 0 VvsSCE 4x10 m KOH 40 mW cm 30 min Trotz einer tztiefe von 200 nm ist die Rauhigkeit der ge tzten Fl che mit einem rms root mean square Wert von 0 8 nm auf 1X1 um vergleich bar mit dem f r eine unbehandelte Probenoberfl che Dieser erreichte Wert ist auch im inter nationalen Vergleich ein Spitzenergebnis 105 Abb 7 21 AFM Aufnahme 3D Darstellung einer PEC ge tzten 200 nm tztiefe MOVPE n GaN Probe im diffusionskontrollierten tzregime 0 004 m KOH Die Rauhigkeit rms 0 8 nm ist ver gleichbar mit der f r unbehandelte Fl chen 107 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation 108 Eigenschaften des PEC Oxids Kapitel 8 Eigenschaften des PEC Oxi
64. GaN Systems 2 1 1 Kristallstruktur GaN und seine verwandten nitridischen bin ren und tern ren Verbindungen AIN und AlGaN bzw InN und InGaN sind polymorph d h sie k nnen in verschiedenen Kristallstrukturen vorliegen in der hexagonalen Wurtzit Struktur 2H oder Polytyp in der kubischen Zinkblende 3C oder Sphalerit bzw B Polytyp bzw der ebenfalls kubischen Kochsalz Struktur 6 Unter blichen Umgebungs und Wachstumsbedingungen ist die Wurtzit Phase f r die genannten Nitride die thermodynamisch stabile Phase und wird m weiteren Teil dieser Arbeit behandelt Die Zinkblende Phase 3C tritt beim heteroepitaktischen Wachstum auf Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN den 100 Kristallfl chen kubischer Substrate wie Si GaAs MgO oder 3C SiC auf Hier wird trotz des intrinsischen Bestrebens zur Auspr gung der Wurtzit Struktur von der atomaren Konstellation des Substrats her die kubische Zinkblende Phase eingepragt Technologisch ist die metastabile Zinkblende Phase deshalb erw hnenswert weil heteroepitaktische Schichten auf kubischen Substraten generell leicht spaltbar sind und damit eine Vereinzelung etwa von Streifenlasern relativ einfach zu bewerkstelligen ist Insbesondere tritt hier keine Verdrehung der Kristallorientierungen bez glich der Wachstumsebene auf wie etwa beim Wachstum auf Saphir Gleichzeitig ist die Aktivierungsenergie f r Akzeptoren in den kubischen Nitriden niedriger als in den hexagonal
65. Halbleiterbauelemente und Werkstoffe Universit t Hannover E T Yu X Z Dang L S Yu D Qiao P M Asbeck S S Lau G J Sullivan K S Boutros and J M Redwing Schottky barrier engineering in III V nitrides via the piezoelectric effect Appl Phys Lett 73 1880 1998 J Stemmer Struktur und elektronische Eigenschaften von GaN Epitaxieschichten mit Hochtemperatur AlN Zwischenschichten Dissertation Universit t Hannover 2003 F Fedler Herstellung hochreflektierender AlGaN AIN DBR und UV VCSEL Strukturen mittels plasmaunterst tzter Molekularstrahlepitaxie Dissertation Universit t Hannover 2003 Veeco ehemals Emcore http www veeco com Beschreibung zum E300 GaNzilla Reaktor Analog Devices http www analog com Datenblatt zum Operationsverst rker OP177 C J Hung L I Halaoui A J Bard P A Grudowski R D Dupuis J Molstad and F J DiSalvo Electroluminescence at GaN and Ga In N Electrodes in Aqueous Electrolytes Electrochem and Solid State Lett 1 142 1998 P W Atkins Physikalische Chemie Wiley VCH Weinheim 1996 182 Literaturverzeichnis 136 137 138 139 140 141 142 143 144 H Maher D W DiSanto G Soerensen C R Bolognesi H Tang and J B Webb Smooth wet etching by ultraviolet assisted photoetching and its application to the fabrication of AlGaN GaN heterostructure field effect transistors Appl Phys Lett 77
66. Mat Res Soc Symp Proc Vol 680E E5 8 16 2001 Sri P Sundararajan D Crouse and Yu Hwa Lo Gallium nitride Method of defect characterization by wet oxidation in an oxalic acid electrolytic cell J Vac Sci Technol B 20 1339 2002 177 Literaturverzeichnis 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 J A Bardwell I G Foulds J B Webb H Tang J Fraser S Moisa and S J Rolfe A Simple Wet Etch for GaN J Elelctron Mater 28 L24 1999 J A Bardwell J B Webb H Tang J Fraser and S Moisa Ultraviolet photoenhanced wet etching of GaN in K S20s solution J Appl Phys 89 4142 2001 T Rotter J Stemmer F Fedler D Mistele H Klausing O K Semchinova J Aderhold and J Graul Radical induced photoetching of AlGaN Posterpr sentation 4 International Conference of Nitride Semiconductors ICNS 4 Denver Colorado USA 2001 H M Ng N G Weimann and A Chowdhury GaN nanotip pyramids formed by anisotropic etching J Appl Phys 94 650 2003 H M Ng W Parz N G Weimann and A Chowdhury Patterning GaN Microstructures by Polarity Selective Chemical Etching Jpn J Appl Phys 42 2 L1405 2003 D Li M Sumiya S Fuke D Yang D Que Y Suzuki and Y Fukuda Selective etching of GaN polar surface in potassium hydroxide solution studied by x ray photoelectron spectroscopy J Appl Phys 90 4219 2001 D Cherns and C G
67. Photoelektrochemische tz und Oxidationstechnik f r AlGaN und Anwendung in Heterostruktur Feldeffekttransistoren Vom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der Universit t Hannover zur Erlangung des akademischen Grades Doktor Ingenieur genehmigte Dissertation von Dipl Phys Thomas Rotter geboren am 7 M rz 1970 n Immenstadt im Allg u 2005 l Referent Prof Dr Ing J rgen Graul 2 Referent Prof Dr Ing Hartmut Grabinski Vorsitzender Prof Dr Ing Hans Georg Musmann Tag der Promotion 22 12 2004 F r Amelie Dennis Philipp und Ute KURZFASSUNG Die vorliegende Arbeit beschreibt die Anwendung von elementaren photoelektrochemischen Techniken an polaren and chemisch inerten GaN basierten Einzel und Heteroschichten Zun chst wird ein Verst ndnis f r die elektronischen Vorg nge an der Grenzfl che zwischen dem nitridischen Halbleitersystem mit gro er Bandl ckenenergie und einem Elektrolyten er arbeitet Daraus wird mit Hilfe der Anregung der Halbleiteroberflache durch UV Strahlung ein niederenergetischer und zugleich anisotroper tzproze f r n Typ Material entwickelt Die Natur der Versetzungslinien des heteroepitaktisch abgeschiedenen Material erm glicht es diese durch geeignete Wahl der tzparameter als sogenannte whiskers kenntlich zu machen so da sie daraufhin im Rasterelektronenstrahlmikroskop hochaufgel st abz hlbar sind Ihre ermittelte Anzahldichte dient direkt zu
68. Strukturen konnte das elektrische Ver halten DC AC dieses neuen Dielektrikum bestimmt werden Die Resistivit t der PEC Ga gt 0 Oxidfilme erreicht Werte von 2 8x10 Qcm bei einer Durchbruchfeldst rke von ca 0 6 MV cm Das Grenzfl chenverhalten ist mit Kenndaten von 1 3x10 cm f r die lokalisierte Oxidladungsdichte N und einer Absch tzung f r die Grenzfl chenzustands dichte von 10 cm eV au erordentlich gut auch wenn Vergleichsdaten f r andere hochentwickelte III V Technologien etwa GaAs zugelassen werden Die Integration des PEC Oxids als Dielektrikum gelang durch die Verwendung von Wolfram als Gate Metal listerung und Umgehung der sonst blichen ift off Technik zur Metall Strukturierung Bei MOS HFETs verringern sich durch das aufgewachsene Dielektrikum die Leckstr me ber die Gate Elektrode um mehrere Gr enordnungen und der Ansteuerbereich kann weit in den positiven Bereich Vgs bis 10 V vergr ert werden Die Stromwerte des PEC MOS HFETs sind vergleichbar mit sub u HFET Strukturen welche auf demselben Epitaxie material hergestellt wurden 150 Zusammenfassung Das Verhalten der PEC MOS HFETs als Hochleistungsbauelemente P 12 W mm DC wird bei hohen Betriebsspannungen von bis zu Vas 100 V und bei hohen Temperaturen bis 300 C charakterisiert Die im Gegensatz zu gew hnlichen HFETs stark temperaturab h ngige Einsatzspannung Vi von PEC MOS HFETs wird physikalisch plausibel gemacht anhand von da
69. TEM UV XRD WICHTIGE ABK RZUNGEN l dimensional 2 dimensionales Elektronengas Auger Elektronen Spektroskopie Auger electron spectroscopy Atomare Kraft Mikroskopie atomic force microscopy Kathodolumineszenz cathodoluminescence Kapazit t Spannung capacitance voltage Gleichstrom direct current elektrochemische CV Charakterisierung electrochemical CV etch pit density gate recess Heterostruktur Bipolar Transistor Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit high electron mobility Heterostruktur Feldeffekt Transistor halide vapor phase epitaxy Strom Spannung lichtemittierende Diode light emitting diode Laboratorium fur Informationstechnologie Molekularstrahlepitaxie molecular beam epitaxy metal insulator semiconductor Modulationsdotierter Feldeffekt Transistor modulation doped metal oxide semiconductor MOS Feldeffekt Transistor Metallorganische Gasphasen Epitaxie metal organic vapor phase epitaxy Wasserstoff Normalelektrode normal hydrogen electrode Operationsverstarker operational amplifier Photoelektrochemie photoelektrochemisch plasma enhanced chemical vapor deposition Rasterelektronenmikroskopie scanning electron microscopy root mean square rapid thermal annealing gesattigte Kalomel Elektrode saturated calomel electrode Transmissionselektronenmikroskopie ultraviolett e Bestrahlung R ntgenbeugung x ray diffraction xl x1l Einleitung Kapitel 1 Einleitung Keine andere
70. Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs 10 i max RF Leistung W al Zn m Zr Frequenz GHz Abb 9 1 bersichtsdiagramm f r verschiedene Materialsysteme und ihre Einsatz Schwerpunkte im Leistungs und Frequenzraum 126 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs 9 1 PEC Oxidation von AlGaN und Prozefintegration Bei der Anwendung der PEC Oxidationstechnik auf HFET bzw MODFET Strukturen sind typischerweise Al Ga N Schichten mit einem Al Gehalt x 0 2 0 3 als oberste Lage der Heterostruktur zu prozessieren Der bereitstehende HeCd Laser mit seiner Emissionswellen l nge A 325 nm bewirkt in GaN und in Al Ga N mit x lt 0 2 eine optische Anregung oberhalb der direkten Bandl ckenenergie E Bereits bei PEC Oxidationsversuchen von AlxGa xN Schichten mit x 0 25 kann deshalb kein merklicher Photostrom mehr detektiert werden Um dennoch auch Al Ga N Verbindungen mit einem h heren Aluminium Anteil photoelektro chemisch erfolgreich zu oxidieren wurde der HeCd Laser f r diesen Zweck durch eine 200 W Quecksilber Hg Lampe Lumatec SUV DC ersetzt Wellenl nge nm 650 600 550 500 450 400 390 300 WeiBlichtstrahler Intensitat willk Einh 2 0 2 0 3 0 3 5 4 0 Energie eV Abb 9 2 Emissionsspektrum der 200 W Hg Lampe am Ausgang des Fl ssiglichtleiters Zum Ver gleich ist das Spektrum eines Wei lichtstrahlers Schott Kaltlichtquelle KL1500 eingef gt 127 AlGaN GaN HFETs
71. albleitermaterials mit Hilfe der Beziehung __ ____ V V 5 5 66 Photoelektrochemische Charakterisierung zu N 3x10 cm bestimmt werden Diese Konzentration entspricht damit auch dem Dotierstoffniveau dieser Probe welches auch durch das Hall Me verfahren bestimmt wurde Bemerkenswert ist weiter die Tatsache da sich trotz der extrem hohen Dotierung an der Halbleiter Elektrolyt Grenzfl che berhaupt ein Kontakt vergleichbar mit einem sperrenden Schottky Kontakt ausbildet Die Realisierung eines metallurgischen Schottky Kontakts bei einer solch hohen Dotierung an der Oberfl che ist technologisch kaum machbar da sich durch die hohe Majoritatsladungstrager Konzentration die Breite einer Schottky Barriere sehr stark vermindert und Tunneleffekte erm glicht Der Betrieb eines solchen bergangs in Sperr richtung w re mit hohen Leckstr men behaftet was Aussagen ber die Verarmungszone innerhalb eines konventionellen CV Me verfahrens erschweren w rde eat R Faraday Abb 5 6 Ersatzschaltbild Die drei resistiven Komponenten der Proben und Zuleitungs Rp der Grenz bergangswiderstand Rraraday und der Widerstand des Elektrolyten REiektroiyt Sind in Reihe ge schaltet Parallel zum spannungs und beleuchtungsabh ngigen Faraday Widerstand Rraraday ist die Serienschaltung der Halbleiterkapazit t C und der Helmholtz Kapazit t Cy angebracht 67 Photoelektrochemische Charakterisierung 1 8 2
72. allen hnliche Struktur aus D 1 4 0 3x1 0 cm 95 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation 2em _ lt 1 kU HYPE se UMI H LFI Abb 7 13 REM Schr gansicht An derselben HVPE Probe werden bereits im optischen Mikroskop Risse erkannt die nach PEC Behandlung reich mit Versetzungslinien dekoriert sind lokal ist hier zT D gt 4x10 cm Von den zwei Hauptlinien gehen jeweils Nebenlinien im Winkel von exakt 60 ab a hl tie E Ri di H if a 35 bs J FE nt di ed rh ee Yes iy rai ys 4 4 a i i AU 4 F T hy mr DE oy 1 fil i hr ai PEY ga r Ar AP i 4 Lary YP uh Sag ie 4 ay data A rh f i oA N y pi a a a 4 i yid gye i Ig P er li rN u pee at ae T ee nn Sku GURE Ad a ee Ge UM I H LF I Abb 7 14 REM Schr gansicht derselben HVPE Probe Diese macht deutlich da bei der Angabe der Versetzungsanzahldichte zum Teil erhebliche Variationen auftreten k nnen wenn der Bildaus schnitt zu klein gew hlt wird Eine verl liche Angabe wie etwa durch die Verwendung der Bildver arbeitungssoftware kann erst bei Auswertung gr erer bzw einer Vielzahl kleinerer zuf llig ausge w hlter Fl chen geschehen 96 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation a Z OOK L lt 4 1 gt UM I H LF I Abb 7 15 REM Schr gansicht Eine bereits optisch sichtbare Kerbe in dieser MBE Probe f hrt auch ohne Schattenmaske zu einem sel
73. an den Versetzungslinien lokalisierten Rekombinationszentren ge geben Im diffusionslimitierten Regime wurde erstmalig f r alkal sche Elektrolyte die Ent stehung eines d nnen Oxidfilms an der Halbleiter Elektrolyt Grenzfl che postuliert und nach gewiesen Dies f hrt zu einem tieferen Verst ndnis f r den PEC Atzmechanismus Die Experimente zeigen da dieser Oxidfilm essentiell f r eine tzung mit resultierender extrem glatter Oberflachenmorphologie ist In Kapitel 8 folgen Untersuchungen zu den chemischen und elektrischen Eigenschaften dieses neuartigen Dielektrikum letztere anhand von PEC MOS Strukturen Danach wird eine Methode zur Integration bei der Herstellung von AlGaN GaN HFETs entwickelt Eine Beschreibung f r das Verhalten von diesen neu artigen MOS HFETs welche als zus tzliche Barriere zur Gate Elektrode das PEC Oxid ent halten erfolgt abschlie end zusammen mit weiteren PEC basierten Bauelementetypen und vorschl gen in gt Kapitel 9 Im Anhang E findet sich eine Darstellung der speziell f r die elektrochemisch kapazitive Untersuchung ECV von AlGaN Einfach und Heterostrukturen erweiterten Methode zur zyklischen P EC Oxidation Diese erfolgte erst nach Abschlu der experimentellen Arbeiten an der Universit t Hannover in Zusammenarbeit mit Dipl Phys Thomas Wolff Ingenieur b ro WEP Furtwangen um einen universellen sowohl f r n Typ als auch f r p Typ Material anwendbaren elektroc
74. ann damit ausgeschlossen werden Auch bei anderen Temperaturen werden nur geringe Hysterese Effekte beobachtet Die Umlauforientierung der Hysterese ist dabei stets entgegengesetzt jener des S1 S O Systems mit seiner Instabilit t gegen ber positiven Ionen Dies ist konsi stent mit der negativ bestimmten Ladung innerhalb des PEC Oxids siehe oben Wie m Fall von anodisch oxidiertem GaAs 101 sind daf r 1m Oxid verteilte St rstellen verantwortlich zu machen welche mit Elektronen durch Tunnelmechanismen aus dem Halbleitermaterial aufgef llt und wieder entleert werden k nnen Eine Beteiligung dieser St rstellen am Ladungstransport innerhalb des Oxids ist wahrscheinlich vergleichbar der Frenkel Poole Emission in SkN4 115 121 Eigenschaften des PEC Oxids 8 3 Vergleich mit anderen Dielektrika Bereits unter dem Lichtmikroskop ist f r Oxiddicken 2400 nm ein Aufrei en der Schicht er kennbar gt Abschnitt 7 2 2 Die Bildung von microcracks ist Ausdruck einer zunehmenden tensilen Verspannung des aufwachsenden Oxidfilms Bei d nnen bis mittleren Schichtdicken 200 nm erscheint der Film hingegen auch im REM kompakt und homogen ohne jegliche Ri bildung So ist der pl tzliche Verlust der Geschlossenheit der Schicht darin begr ndet da mit zunehmender Schichtdicke der Film an Dichte und damit auch an Festigkeit verliert Im REM erscheint dann die Mikrostruktur des Oxids von por ser Natur zu sein gt Abb 7 18 d Dies
75. applications is reflected by electrical characterization of correspon ding MOS structures for the first time The newly developed oxide films are successfully implemented into the processing sequence of heterostructure field effect transistors HFETs using a tungsten gate metallization scheme HFETs with an dielectrically isolated gate elec trode MOS HFETs show high drain currents gt 500 mA mm together with high extrinsic and intrinsic transconductances of 62 and 142 mS mm respectively The new devices prove to be capable to high voltage Vas 100 V and high temperature operation T 300 C and high power 12 5 W mm CW Other device concepts e g gate recessing are discussed and experimentally verified Finally an electrode less etch oxidation process with industrial relevance is accomplished and cyclic oxidation is introduced as a unique wet etch technology to etch both n type and p type group Ill nitrides smoothly in a reproducible manner 111 Schlagworte Photoelektrochemie PEC Aluminium Galliumnitrid AlGaN MOS Hetero strukturfeldeffekttransistor MOS HFET Keywords photoelectrochemistry PEC aluminium gallium nitride AlGaN MOS hetero structure field effect transistor MOS HFET 1V INHALTSVERZEICHNIS KAPITEL 1 EINLEITUNG KAPITEL 2 EIGENSCHAFTEN VON EPITAKTISCH GEWACHSENEM ALGAN 2 1 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN INNERHALB DES ALGAN SYSTEMS 2 1 1 Kristallstruktur 2 1 2 Elektronische Eigenschaften 2 1
76. arallel zu entsprechenden Epitaxie Experi menten durchgef hrt um ein schnelles feedback an die Epitaxie f r weitere p Dotierexperi mente geben zu k nnen Mittels dieses Verfahrens kann aber die effektive Dotierstoffkon zentration die elektrisch aktivierte Konzentration der Akzeptoren nicht exakt bestimmt werden da dies bislang einer theoretischen Grundlage entbehrt Es wurde jedoch analog zu n GaN empirisch eine direkte Verkn pfung der Steilheit mit der Dotierung festgestellt und f r vergleichende Zwecke innerhalb von Versuchsreihen zum Mg Dotierstoffeinbau benutzt 60 Photoelektrochemische Charakterisierung 5 2 Quasistatische Charakterisierung F r n GaN Elektroden sind die Dunkelstr me ber einen gro en Spannungsbereich vernach l ss gbar gering Abb 5 4 In den potentiodynamisch aufgenommenen Me kurven f r geringe bis mittlere Beleuchtungsstufen 1 uW cm bis mW cm setzt der Photostrom in einem Spannungsbereich von 0 5 bis 0 VvsSCE pH 0 1 n H2SO3 ein Damit ist dieser Ein satzpunkt um mindestens 0 3 V zu anodischen Werten hin gegen ber dem Flachband potential Va versetzt Dieses Verhalten ist auf Oberfl chenzust nde zur ckzuf hren wie weiter unten in diesem Kapitel noch n her diskutiert wird Bereits bei ca 0 5 VvsSCE erreicht der Photostrom einen nahezu konstanten spannungsunabh ngigen S ttigungswert Innerhalb des sich anschlie enden Spannungsbereichs bis ca 3 0 VvsSCE nimmt der Photos
77. ation bei nahezu konstantem Photostrom Abb 7 2 der Abtrag des Oxids ist jedoch unter station ren Be dingungen kinetisch verz gert Wird der Oxidationsvorgang auf 15 h verl ngert w chst die gesamte Oxidschicht zwar auf 1 2 um an die Grenzschicht wandert aber trotz der hier auf tretenden microcracks nur um weitere 105 nm Am Ende des 15 h dauernden l ngeren Oxida tionsprozesses ist der Photostrom und damit auch die Oxidationsrate gegen ber dem Wert nach h um den Faktor 3 reduziert ein Effekt der etablierten Diffusionsbarriere des 1 2 um dicken Oxidfilms Zusammen mit dem Photostrom welcher aufgetragen ber die Zeitachse t 103 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation 1 2 f r lange Oxidationszeiten mit t abnimmt entspricht dies in Analogie zur thermischen Oxidation von Silizium dem parabolischen Ast 1m Modell nach Deal Grove 103 ervm AIXB 0 lt 374 gt LO xm 1 10KYV x30000 T6 A lt 171 gt 5T ivm AT4Tt FC2 43 gt Abb 7 18 Bei PEC Oxidfilmen mit einer Oxiddicke gr er als ca 400 nm treten sog microcracks auf Hier sind REM Aufnahmen von microcracks an unterschiedlichem Probenmaterial a c und d MOVPE und b MBE Material dargestellt In der aufgerissenen PEC Oxidschicht in d ist eine po r se Struktur erkennbar Nach unseren Untersuchungen erscheinen d nnere Oxide generell dichter gepackt zu sein Sie erweisen sich auch in ihren elektrischen Eigenschaften f r d
78. attering in GaN Phys Rev Lett 82 1237 1999 D Jena A C Gossard and U K Mishra Dislocation scattering in a two dimensional electron gas Appl Phys Lett 76 1707 2000 173 Literaturverzeichnis 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 J W P Hsu M J Manfra D V Lang S Richter S N G Chu A M Sergent R N Kleiman L N Pfeiffer and R J Molnar Inhomogeneous spatial distribution of reverse bias leakage in GaN Schottky diodes Appl Phys Lett 78 1685 2001 J W P Hsu M J Manfra S N G Chu C H Chen L N Pfeiffer and R J Molnar Effect of growth stoichiometry on the electrical activity of screw dislocations in GaN grown by molecular beam epitaxy Appl Phys Lett 78 3980 2001 X H Wu C R Elsass A Abare M Mack S Keller P M Petroff S P DenBaars J S Speck and S J Rosner Structural origin of V defects and correlation with localized excitonic centers in InGaN GaN multiple quantum wells Appl Phys Lett 72 692 1998 J E Northrup L T Romano and J Neugebauer Surface energetics pit formation and chemical ordering in InGaN alloys Appl Phys Lett 74 2319 1999 A F Wright and U Grossner The effect of doping and growth stoichiometry on the core structure of a threading edge dislocation in GaN Appl Phys Lett 73 2751 1998 K Leung A F Wright and E B Stechel Charge accumulation at a threading edge dislocation in ga
79. aus einer spontanen P und einer piezo elektrischen P Komponente zusammen P P P 3 3 Der piezoelektrische Anteil der Polarisation ist mit den auftretenden Verspannungen entlang der c Achse und entlang der beiden gleichwertigen a Achsen innerhalb der hexagonalen Einheitszelle durch die piezoelektrischen Koeffizienten e verkn pft Da durch die Epitaxie innerhalb von Heterostrukturen nur Verspannungen in der Basal bzw Wachstumsebene ver mittelt werden orientiert sich auch die piezoelektrische Komponente der Polarisation entlang P e mit piezo der hochsymmetrischen c Achse P piezo Do ee e 3 3 4 i Dabei ist e c C5 Ve die Verspannung entlang der c Achse und a a a die als isotrop angenommene Verspannung in der Basalebene mit den Kristallgitterparametern co und ap im unverspannten Zustand gt Tabelle 2 1 Eine weitere nicht verschwindende Kom ponente des piezoelektrischen Tensors e ist verkn pft mit Scherkr ften die aber im allge meinen speziell w hrend der Epitaxie nicht auftreten 26 Polarisation Die beiden Verspannungen bzw und sind voneinander nicht unabh ngig sondern sind gem der Festk rper Physik ber die elastischen Moduli Ci Druckkonstanten mitein ander verkn pft ber d e Relation D i 3 5 33 Somit ergibt sich die piezoelektrische Komponente der Polarisation entlang der c Achse z
80. aus ergibt sich das Ersatzschaltbild einer kapazitiven Reihen schaltung 39 Photoelektrochemie von AlGaN Die Gouy Chapman Schicht schlie t sich unmittelbar an die Helmholtzzone an Sie kenn zeichnet den Bereich in welchem die Konzentration von den negativ geladenen Anionen noch nicht dem bulk Wert des Elektrolyten entspricht und ist somit in Analogie zur Debye Zone zu sehen welche sich innerhalb des Halbleitermaterials an die eigentliche Raumladungszone anschlie t Im Halbleiter beruht die Ausbildung der Debye Zone auf dem Mechanismus der Diffusion Ihre Ausdehnung Lp ist bestimmt durch die Elektronenkonzentration n ber die Beziehung Lp kKTe e e2n 4 4 Im Elektrolyten wird die Gouy Chapman Schicht ebenso von den frei beweglichen Ladungs tr gern hier den Ionen bestimmt Mit den ausgebildeten Doppelschichten innerhalb des Elek trolyten sind ebenfalls entsprechende Kapazit ten verkn pft F r die Helmholtz Zone gilt dV 4 5 H Es kann gezeigt werden da f r typischerweise verwendete Konzentrationen der Einflu der Gouy Chapman Schicht vernachl ssigt werden darf 51 52 Das resultierende vereinfachte Ersatzschaltbild der Grenzschicht ist in Abb 4 1 wiedergegeben Die Kapazit t der Ver armungszone Csc ist dabei in Reihe zur Helmholtz Kapazitat Cy geschaltet Die Gesamtkapa zitat C ergibt sich somit als z 4 6 Mit obigen berlegungen kann die Gesamtkapazit t C dann de
81. axy Diese k nnen dann als Quasi Substrate f r die eigentliche Homoepitaxie der elektronisch relevanten Schichten verwendet werden 25 Die aufwendigen Vorbehandlungen des Substratmaterials Nitridierung Aufwachsen einer stre reduzierenden Niedertemperatur Pufferschicht und Ausheilung u wie sie bei der Heteroepitaxie blich sind k nnen entfallen jedoch entstehen enorme Materialkosten und entsprechende Substrate sind noch nicht in beliebiger St ckzahl verf gbar 14 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN Die in dieser Arbeit untersuchten Schichten wurden generell heteroepitaktisch d h auf einem Fremdsubstrat in der Regel Saphir abgeschieden Eine Darstellung der Epitaxiemethoden MBE molecular beam epitaxy MOVPE metalorganic vapor phase epitaxy und HVPE findet sich im Anhang A 2 2 1 Substrat Das erfolgreiche Wachstum von Gruppe IUI Nitriden findet bei vergleichsweise hohen Tem peraturen ca 700 C f r MBE bzw ca 1050 C bei MOVPE und z T in aggressiven Umge bungen NH3 HCl statt was die Auswahl m glicher Substrate deutlich reduziert Um die Abscheidung von AlGaN in Wurtzit Phase zu gew hrleisten ist eine hexagonale Symmetrie achse senkrecht zur Wachstumsebene notwendig Das Wachstum der metastabilen Zink blende Phase kann wie bereits in gt Abschnitt 2 1 1 erw hnt durch die Wahl eines kubischen Substratmaterials mit geeigneter Oberfl che etwa GaAs 100 oder Si 100 initiert
82. bb E 6 Mittels zyklischer Oxidation gewonnenes flaches Profil der Donatorenkonzentration Np einer gleichm ig mit Silizium dotierten MOVPE Probe 169 Anhang 3 was sehr gut Die Dotierung bleibt ann hernd konstant auf einem Niveau von 4 5x10 cm mit Hall Ergebnissen f r diese Probe korreliert Das gleichbleibende Niveau der ECV Mes sung ist gleichzeitig ein Indiz f r die Qualit t der tzung eine verrauhende tzung w rde die Oberfl che mass v vergr ern und entsprechend zu einer Verf lschung zu stark ansteigender Donatorenkonzentration f hren gt Gleichung 5 5 139 Das Verfahren der zyklischen Oxidation ist ebenfalls dazu geeignet p AlGaN Verwendung in LEDs Laserdioden und HBTs kontrolliert zu tzen und entsprechende ECV Analysen durchzuf hren Im Unterschied zum n Typ Material werden hier die ben tigten L cher als Majorit tsladungstr ger durch Anlegung einer Vorw rtsspannung zur Oberfl che gedr ngt wo sie dieselbe Grenzfl chenreaktion Gl 7 1 die Oxidation des Gruppe II Nitrids bewirken wie im n Typ Material In Abb E 3 ist lediglich die UV Beleuchtung durch ein geeignetes Spannungspaar zu ersetzen F r die Oxidationsphase sind hohe Spannungen gt 3 VvsSCE vorteilhaft 139 w hrend f r die Relaxationszeit Spannungen um 0 VvsSCE zu w hlen s nd Zu Ergebnissen an p GaN Proben bzw kompletten pn LED Strukturen verweise ich auf bislang neuere zum Zeitpunkt der Abgabe der D
83. ben somit keinen Einflu auf den Photostrom 62 Photoelektrochemische Charakterisierung Die Ausdehnung der Verarmungszone Weep ist aufgrund der hohen Donatorenkonzen tration Np Np n relat v gering wenige zehn Nanometer und ber die folgende Beziehung mit der angelegten Spannung verkn pft depl eN 2E a vv ara 5 2 Damit ist auch die Gesamtausdehnung der effektiven Absorptionszone W Wap L depl Abb 5 4 f r die untersuchte Probe nur bedingt spannungsabh ngig und wird im wesent lichen durch den Term der Diffusionslange Lp gepr gt Dies erkl rt auch den relativ konstan ten Strom ber den gro en Spannungsbereich von 0 5 VvsSCE bis 3 0 VvsSCE In Abwesen heit von Oberfl chenrekombinationen ist der photon quantum yield pqy beschrieben durch die Butler G rtner Gleichung 4 22 1 OW dep J photo e e amp x 0 I aL gt pqy Um die Me werte zu analysieren kann in der Gleichung 5 3 die Photonenstromdichte D x 0 durch die resultierende maximale Stromdichte jphoto max ersetzt werden oder aber als Obergrenze des auftretenden S ttigungswerts abgesch tzt werden Damit erh lt man die fol gende Form 5 4 depl J photo max lin Zee lemitsat aW Dies ist die Darstellung einer Geradengleichung So bilden die experimentell gewonnenen Daten in gt Abb 5 5 f r Raumladungszonenweiten Weep gr er als ca 22 nm d h ab einem Spannungsabfall Vse V Vn gr
84. bern chsten Nachbarn wie die gt Abb 2 2 zeigt Nur f r die Wurtzit Phase k nnen die atomaren Bindungen zur Deckung gebracht werden w hrend f r die Zinkblende Phase die projizierten Bindungen jeweils auf L cke gesetzt sind Der wesentliche Unterschied dieser beiden Phasen ist somit die Stapelfolge von dichtest gepackten diatomaren Netzebenen Im Fall der Wurtzit Phase ist das die Stapelfolge ABABABA entlang der lt 0001 gt Achse c Achse und im Fall der Zinkblende Phase die Stapelfolge ABCABCA entlang der lt 111 gt Achse zur Kennzeichnung von Kristallorientierung mittels der Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN Miller schen Indizes in hexagonalen Kristallsystemen sei auf Ref 8 verwiesen Ber ck sichtigt man hierbei weiter die Ausrichtung der Metall Nichtmetall Bindung so finden sich etwa f r die quivalenten Orientierungen von hexagonalem Galliumnitrid und kubischem Galliumarsenid GaAs folgende Zusammenh nge 0001 Ga polar bzw Ga face in GaN entspricht in GaAs 111 B face bzw 0001 N polar bzw N face in GaN entspricht 111 A face in GaAs ON As Ga 111 Abb 2 2 Ordnung der bern chsten Nachbaratome Links ist die Stapelpackungsfolge der Galliumatome entlang der 0001 Achse in GaN jeweils ber den Stickstoffatomen der darunterliegenden Kristallebene hexagonale Packung dargestellt In GaAs erfolgt die Packung der Galliumatome entlang der 111 p Achse auf L cke
85. bis zu 2019 cm Vs bei Raumtemperatur realisiert werden 50 Oberhalb von ca 3x10 cm f r die Fl chenladungs dichte n ist die Beweglichkeit 1m wesentlichen durch die Grenzfl chenstreuung begrenzt und geht blicherweise f r h here Elektronenanzahldichten signifikant zur ck da der Ladungs schwerpunkt des 2DEGs sich immer mehr zur nicht idealen Grenzfl che verlagert wie aus den 1D S mulationen deutlich hervorgeht 36 Photoelektrochemie von AlGaN Kapitel4 Photoelektrochemie von AlGaN Nachfolgend soll dem Leser dieser Arbeit ein kleiner Almanach zum Verst ndnis photo elektrochemischer Prozesse an der Halbleiter Elektrolyt Grenzfl che zur Hand gegeben wer den Im ersten Abschnitt wird zun chst die Ladungs und Potentialverteilung an der Grenz fl che beschrieben Im weiteren wird dann der Ladungstransfer ber die Grenzfl che und schlie lich der Einflu einer Bestrahlung mit geeigneter Wellenl nge diskutiert Wir be schr nken uns im folgenden auf n Halbleiter da bei den Nitriden ohne bewu te Dotierung mit Akzeptoren Magnesium stets n Typ Verhalten vorzufinden ist Prinzipiell k nnen die ber legungen entsprechend abge ndert auch auf p Material bertragen werden 4 1 Ladungs und Potentialverteilung am Halbleiter Elektrolyt Grenz bergang Wird ein Halbleiter in einen Elektrolyten eingetaucht so stimmt zun chst sein elektro chemisches Potential gleichwertig mit dem Ferminiveau Er im allgemeinen nich
86. ce damage hinterlassen k nnen 20 Im Fall der in dieser Arbeit beschriebenen photoelektrochemischen tzung von Gruppe III Nitrid Material erfolgt die Anregung der Halbleiteroberfl che mittels Photonen geeigneter Wellenl nge Na chemische und damit auch das sp ter beschriebene photoelektrochemische Verfahren hingegen sch digen von Natur aus den Kristallverbund sehr wenig die freigesetzten Energien bis zu einigen eV sind daf r zu gering Sie k nnen auch gezielt dazu verwendet werden gesch digte Halbleiterbereiche abzutragen 21 Allein von diesem Gesichtspunkt her ist es neben konomischen Erw gungen erstrebenswert zur Erg nzung bereits vorhandener trocken chemischer Strukturierungsm glichkeiten ein na chemisch basiertes Atzverfahren zu ent wickeln mit dessen Hilfe auch kritische Aufgaben innerhalb der modernen Bauelement technologie gate recessing Streifenlaser Facettierung ohne nachhaltige Sch digung des Kristalls angegangen werden k nnen 13 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN 2 2 Epitaxie von AlGaN Der Schmelzpunkt von GaN Koexistenz von festem GaN fl ss gem Gallium und gas formigem Stickstoff wird erst bei hohen Temperaturen 2791K und gleichzeitig hohem Stickstoff Partialdruck ca 45 kbar erreicht 22 Verantwortlich daf r st in erster Linie die starke dreifach kovalente Molek lbindung 9 8 eV je Molek lbindung des chemisch stark inerten Stickstoffs die erst bei diesen
87. ch Kapitel 9 1 Deswegen wurden zun chst Ti Al Kontakte unter Verwendung einer Loch schattenmaske mit unterschiedlichen Durchmessern von 100 um bis mm per Elektronen strahlverdampfung aufgebracht Neben den zu charakterisierenden MOS Dioden wurden so im gleichen Proze schritt auf den nicht oxidierten Teilbereichen ohmsche Kontaktbereiche geschaffen welche eine elektrische Evaluierung erm glichen Ein schematischer Aufbau der Strukturen ist in Abb 8 4 gegeben Die elektrische Charakterisierung der Dioden erfolgte mittels IV und CV Strom bzw Kapazi t ts Spannung Messungen F r die IV Messungen DC direct current fand ein HP 4155A Semiconductor Parameter Analyzer Verwendung f r die frequenzabh ngige 1 kHz 1 MHz CV Analyse eine HP 4192 Kapazit tsbr cke Ga O TV Al TV Al Abb 8 4 Schematischer Aufbau einer MOS Struktur 113 Eigenschaften des PEC Oxids 8 2 1 Resistivitat und Durchbruchverhalten Bei der Untersuchung ihrer DC Eigenschaften erweisen sich generell alle MOS Dioden als stark gleichrichtend Dabei ist f r manche dieser Strukturen der Strom in R ckw rtsrichtung so gering dab er teilweise bis zu einer Spannung von 20 V und mehr unterhalb der Me genauigkeit liegt lt 50 pA Abb 8 5 Als Kennzahl wird das Verh ltnis des Widerstands in R ckw rtsrichtung bei 2V zum Widerstand in Vorw rtsrichtung bei 2 V eingef hrt Diese dient zur besseren Einstufung des nichtlinearen Ve
88. chband spannung V Sie kann zur Reskalierung mit V V V benutzt werden F r den Fall der Verarmung V V gt 0 k nnen die Gleichungen 4 7 und 4 8 ent sprechend umgeformt werden zu DERE kT Weaept lv 4 9 D 41 Photoelektrochemie von AlGaN und 7 o e A 4 10 C e E Np e Die letzte Beziehung erlaubt es aus der Darstellung der reziproken quadratischen Kapazi t t C gegen ber der Spannung sowohl die Dotierung Np aus der Steigung als auch die Flachbandspannung V aus dem Schnittpunkt mit der Spannungsachse zu gewinnen Sie wird auch Mott Schottky Gleichung genannt und zur Dotierungsprofilometrie benutzt Eine entsprechende Beziehung gilt auch f r einen Kontakt zwischen einem Schottky Metall und einem Halbleiter Hier ist jedoch die Orientierung der Spannung zu beachten siehe dazu auch Abb 4 5 4 2 Reaktionen an der Halbleiter Elektrolyt Grenzfl che W hrend der elektrische Strom im Halbleiter von Elektronen und L chern getragen wird sind im Elektrolyten Ionen die alleinigen Ladungstr ger Ein Ladungstransfer ber die Halbleiter Elektrolyt Grenzfl che hinweg kann somit nur zwischen Niveaus gleicher Energie stattfinden Es ist daher notwendig die Energiezust nde des Redox Systems im Elektrolyten zu beschrei ben und in Relation zu den erlaubten Zust nden innerhalb des Halbleiters zu bringen An schlie end wird der Ladungstr geraustausch analysiert 4 2 1 Ener
89. chenladungsdichte n in H he von 1 48x10 cm F r variablen Aluminiumgehalt x ist die Elektronen Fl chenladungsdichte n in Abh ngigkeit der Al Ga N Deckschichtdicke d durch eine transzendente Gleichung gegeben Eine ganz heitliche L sung dieser nach Ambacher 10 findet sich in Abb 3 4 In dieser Darstellung ist deutlich das streng monotone Anwachsen der Fl chenladungsdichte n von frei beweg lichen Ladungstr gern mit steigendem Al Gehalt zu sehen Auch der Parameter der Deck schichtdicke d hat keinen wesentlichen aber doch me baren Einflu darauf speziell bei nied r gem Al Gehalt Die so analytisch gewonnenen Kurven stimmen trotz der zum Teil erheb lichen Unsicherheiten in den physikalischen Konstanten und der bei weitem noch nicht als ideal anzusehenden Heteroepitaxie solcher Strukturen sehr gut mit einer Vielzahl von ver ffentlichten Daten berein 10 Das Modell erkl rt die hohe Flachenladungsdichte n in AlGaN GaN Heterostrukturen wobei der ebenso charakteristische Parameter der Beweglichkeit u gt pes zwar mittelbar aber doch nicht in direkt einsichtiger Weise damit zusammenh ngt Der Rauhigkeit des Grenz bergang ist dabei im folgenden besonderes Augenmerk zu schenken Es tritt durch die beraus starke Lokalisierung des 2DEGs in unmittelbarer N he des Grenz bergangs verst rkt die sog Grenzflachen Rauhigkeits Streuung interface roughness scattering in Erscheinung Sie ist dominant im Vergleich zu andere
90. chenladungsdichte vorgegeben Der in allen Experimenten vorgegebene Wert von 0 8 C cm entspricht dabei etwa dem Abtrag der halben Probendicke ca 300 nm Dies ist durch mehrere Versuchsreihen mehrmals empirisch best tigt worden Bis auf die verwen deten Stromdichten kleiner als 0 5 mA cm wird mit allen gew hlten Stromdichten hier bis 6 4 mA cm in etwa die gew nschte Probentiefe erreicht gt Abb 6 2 Zum Vergleich wer den in Abb 6 2 auch die Niveaus welche f r die Valenzwerte 3 4 und 6 zu erwarten sind 379 nm 285 nm bzw 190 nm eingezeichnet Der zugrundeliegende Atzmechanismus ist damit sicher nicht von der Valenz z 6 wie bei den blichen III V Halbleitern Wie in beiden Versuchsreihen gezeigt wird ist die photoelektrochemische Atzung der Gruppe III 73 PEC Atzen im reaktionslimitierten Regime Nitride bei einer vorgegebenen Ladungsdichte deutlich effektiver als dies eine Valenz z von 6 zulassen w rde Das Hauptfeld der Experimente liegt in beiden Versuchsreihen um einen Valenzwert von 4 Jedoch ist bei seiner Bestimmung nach einem Minimum zu suchen wel ches gerade die idealisierte Basisreaktion kennzeichnet Zusammen mit dem dargestellten Reaktionsschema gt Gleichung 6 1 ist die Festsetzung der Valenz z auf einen Wert von 3 naheliegend Eine experimentell nach oben auftretende Abweichung kann durch parasit re speziell durch die UV Anregung hervorgerufene Str me ber d e Grenzfl che welche aber selbst nicht
91. chicht anhand des Photostroms nicht von dem f r eine rein bin re GaN Probe zu unterscheiden Die prozessierten Proben allesamt AlGaN GaN Heterostrukturen werden f r die Herstellung von MOS HFET Transistortypen verwen det Es ist zu bemerken da mit zunehmendem Aluminium Gehalt die generierten PEC Oxide sogar verbesserte dielektrische Eigenschaften besitzen speziell hinsichtlich ihrer Resis tivitat Dies kann durch die gr ere Bandl cke 7 5 eV von AlO gegen ber GazO3 4 4 eV begr ndet werden gt Tabelle 8 2 Nach der PEC Oxidation einer bulk Al Ga N Epitaxie schicht stellten wir au erdem im resultierenden PEC AlxGa gt x O3 Ox d eine davon abwei chende Komposition mit einem erh hten Aluminiumanteil x gt y fest was auf die geringere L slichkeit von Aluminiumoxiden in schwach alkalischen w r gen L sungen zur ckzu f hren ist PEC Ab Ga gt gt x 0 F lme sind ebenso wie PEC Ga gt 0 Filme l slich in stark basischen Me dien In der f r III V Halbleiter g ngigen und auch f r die Gruppe III Nitride angewendeten photolithographischen ift off Technik zur strukturierten Metallisierung w re das Oxid f r die Dauer der Entwicklung des Photolacks direkt einer stark bas schen L sung AZ 726 MIF ausgesetzt Es w rde s ch nach kurzer Zeit vollst ndig aufl sen Abhilfe ist gegeben wenn das Gate Metall w hrend seiner Strukturdefinition das Oxid bedeckt Der Photolack wird auf 128 AlGaN GaN HFETs unter
92. chte Versetzung aufgezeigt werden 31 74 Die PEC whisker Generation st damit ein wirkungsvolles Hilfs mittel mit welcher sich die entscheidende Kenngr e der Versetzungsanzahldichte D in zu verl ssiger Weise aber gleichzeitig schnell und einfach d h ohne gro en pr parat ven und experimentellen Aufwand ermitteln l t im Gegensatz zu den weitaus aufwendigeren Ana lysen mittels TEM oder R ntgenbeugung XRD 75 76 Im Vergleich zum n dieser Arbeit vorgestellten PEC Verfahren st na chemisches Defekt tzen etch pit density EPD in sehr aggressiven L sungen geschmolzenes KOH oder sie dende Phosphors ure teilweise nur sensitiv gegen ber Schraubenversetzungen und unter sch tzt deswegen die wahre Gesamtanzahldichte D in vielen F llen 77 Au erdem mu dieser Proze zeitlich sorgf ltig ausgewogen sein um einerseits jeden Defekt sichtbar zu dekorieren andererseits besteht durch die enorm hohe Defektdichte hingegen die Gefahr des ber tzens welches ebenfalls zu einer Untersch tzung der tats chlichen Versetzungslinien anzahl f hrt 77 hnliches gilt auch f r die Methode der na chemischen Oxidation in Oxals ure 78 Das hier entwickelte PEC Verfahren ist hingegen sensitiv f r viele Verset zungstypen in heteroepitaktisch aufgebrachten Gruppe III Nitriden Eine Verwendung beider 86 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Methoden in einer gegenseitig erg nzenden Art kann somit weite
93. d Umladungsprozessen innerhalb des Elektrolyten zuzuschreiben Beide Me reihen vor und nach dem PEC Atzschritt ergaben f r den gesamten untersuchten Leistungsdichtebereich innerhalb der drei Beleuchtungsdekaden von 0 1 mW cm bis 100 mW cm eine halblogar thmische Beziehung f r die Beleuchtungsst rke und das Ruhe potential Als Photospannung V photo wird die Differenz von Ruhepotential zum Dunkelruhe potential derselben Probe bezeichnet Hierf r l t sich in Analogie zu einer photosensitiven Schottky Diode folgender Zusammenhang f r einen n Typ Halbleiter herleiten 51 V KI nf z5e Inbe f rb gt 1 5 1 ce photo Ce Dabei ist die Beleuchtungsst rke einer monochromatischen Lichtquelle gemessen an der Halbleiter Elektrolyt Grenzfl che und b eine nicht triviale positive Konstante welche im wesentlichen aber nicht ausschlie lich von Dotierung der Probe n 3x10 cm bestimmt wird 51 Eine Begrenzung der Photospannung ist gegeben f r extrem gro e Beleuchtungs st rken Dort n hert sich das Ruhepotential asymptotisch dem Flachbandpotential an Die Technik kann prinzipiell ber den gesamten pH Bereich angewendet werden wie dies auch exemplarisch f r die pH Werte O 0 5 m H gt SO und 13 7 0 5 m KOH in Abb 5 2 gezeigt ist Der pH Wert des Elektrolyten besitzt lediglich Einflu auf die Absolutwerte des Ruhepotentials gt Nernst sche Gleichung 4 14 jedoch nicht auf Relativwerte wie
94. den Aus eigenen Experimenten gilt dies so wohl f r den sauren pH Bereich bei Verwendung von Schwefels ure H2SO wie J van de Lagemaat berichtet 52 als auch f r den alkalischen Bereich unter Beimischung von Chlor Ionen Jedoch ist die Dimension der in gt Abb D 4 exemplatisch dargestellten skelettartigen Strukturen mit 20 70 nm noch zu gro um etwa in Photolumineszenz Untersuchungen bei Raumtemperatur merkliche Quanteneffekte gegen ber unbehandelten Probenoberfl chen zu beobachten Entsprechende Quanteneffekte wurden z B von Schmuckiet al f r n GaAs nach Poren Formation in HCl Salzs ure bzw Cl beinhaltenden Elektrolyten festgestellt 137 138 Die regelm ige kristallographisch orientierte Struktur ist nicht etwa auf die Lage von Defekten oder Versetzungslinien zur ckzuf hren sondern auf einen selbstordnenden Mecha nismus Dies belegen Ergebnisse zum defektsensitiven Atzen an derselben qualitativ hoch wertigen MOVPE n GaN Probe n 3x10 cm Die Beobachtung von por sem GaN bei Zugabe von CI Ionen zum alkalischen Elektrolyten beruht vermutlich auf einer Instabilit t der PEC Atzung mit dem Energieniveau des Redoxpaares Ch CI gt Abb 4 3 SSR Ae SS LD Abb D 4 Por se GaN Struktur nach dem PEC tzen in einer 0 1 m KOH 0 1 m KCl L sung 164 Anhang Anhang E ECV Profiling unter Anwendung der zyklischen Oxidation In diesem Abschnitt wird die Methode der sog zyklischen Oxidation beschrieben Sie
95. die folgende Arbeitsgleichung bergeht r nm min 29 j oo mA cm 2 6 4 Die G ltigkeit des Faraday schen Gesetzes f r den Fall der photoelektrochemischen Zerset zung von Gruppe III Nitriden wurde f r wabrige Kaliumhydroxid L sungen 15 und 0 5 m untersucht Dazu wurden n GaN Probenst cke n 3x10 cm unter galvanostatischer Kon trolle ge tzt Galvanostatisch bedeutet da der Strom fest von au en eingepr gt wird und ein Regelmechanismus die Spannung der Gegenelektrode entsprechend anpa t Die Stromdichte in diesen Experimenten var ierte zwischen 0 5 und 4 0 mA cm Wie man anhand der Abb 6 1 erkennen kann erh lt man f r jede vorher eingestellte Stromdichte einen linearen Zusammenhang zwischen der tztiefe und der integrierten Photostromdichte Jpnoto der fl chenspezifischen Ladung Qphoto Gleichung 6 2 Damit ist das Faraday sche Gesetz anwendbar Die tzrate ist dabei frei einstellbar in einem weiten und technologisch relevanten Bereich von ca 10 100 nm min In Abb 6 1 wurden neben den experimentellen Werten auch die theoretisch zu erwartenden Kurvenverl ufe f r die nat rlichen Werte 2 3 und 4 f r die Valenz z aufgetragen Hier erscheint zun chst eine gute bereinstimmung mit dem Ver lauf f r eine Valenz z 4 d h ein Reaktionsschema mit 4 beteiligten L chern pro Formel einheit In einer zweiten Versuchsreihe wird wieder unter galvanostatischer Kontrolle bewu t eine definierte Fla
96. die Photospannung und ihre Abh ngigkeit von der UV Beleuchtung Die gem den Herstel lungsparametern undotierte aber dennoch in ihrer Dotierung entartete MBE Probe besitzt dabei gegen ber einer Si dotierten MOVPE Probe n 3X10 cm eine mehr als doppelt so gro e Steigung Eine rein qualitative Einteilung der Proben bez glich ihrer Dotierung ist bereits mit diesem Verfahren m glich 57 Photoelektrochemische Charakterisierung Erg nzend ist anzumerken da sich aus der linearen Extrapolation der eingezeichneten Re gressionsgeraden Abb 5 2 auf das ebenfalls eingetragene Dunkelruhepotential die abso lute UV Empfindlichkeit der n GaN Elektrolyt Grenzflache f r die MBE Probe absch tzen l t zu ca 30 nW cm Die MOVPE Probe ist aufgrund ihrer geringeren Dotierung und damit auch geringeren Steigung f r die Photospannung sogar noch um 1 2 Gr enordnungen em pfindlicher Dies konnte jedoch experimentell nicht verifiziert werden da die minimale mit dem verwendeten UV Detektor me bare Beleuchtungsst rke 1 mW cm betr gt und durch die vorhandenen Abschw cher nur um 3 Gr enordnungen bis auf ca uW cm reduziert wer den kann Um in diesem Bereich die Halbleiter Elektrolyt Grenzfl che s nnvoll als Photode tektor nutzen zu wollen sollte im Zuge der Minimierung des RC Gliedes siehe obige Bemer kungen und damit besseren Ansprechzeiten zu kleineren definierten vom Elektrolyten be netzten Probenoberfl chen und zu m
97. dieren und vorhandene Rekombinationszen 18 PEC Atzen im reaktionslimitierten Regime tren ausgleichen bevor sie an einer Grenzfl chenreaktion teilhaben bzw rekombinieren Die Effekte von Versetzungslinien werden dadurch im oberflachennahen Bereich quasi kaschiert es resultiert ein nahezu gleichm iger Atzabtrag Dieses Regime des geringen Photostroms ist ber die Potential Abhangigkeit des Photostroms Kapitel 5 2 mit einem relat v geringen Aufl sungspotential dissolution potential von typischerweise kleiner gleich 0 4 VvsSCE verkn pft 71 Darunter versteht man im Gegensatz zum Ruhepotential das Potential der GaN Elektrode unter photoanodischem Stromflu gegen ber der stromfrei gef hrten Referenzelektrode SCE 500nm Inn lOkKU SOOnNm I lt GaP r ba gt sa f y 7 er a niet a S5S00nm x50000 S500nm FAX o 50 FAX Abb 6 4 REM Aufnahmen zur Oberfl chentopologie von PEC ge tzten Schichten bei eingepr gtem Photostrom jeweils 50000fache Vergr erung Die tztiefe der urspr nglich 0 54 um dicken MBE Probe betr gt in allen F llen ca 0 40 um Die Photostromdichte variierte von 0 5 mA cm a ber 1 0 mA cm b und 2 0 mA cm c bis 4 0 mA cm d 79 PEC Atzen im reaktionslimitierten Regime 6 4 Einf hrung des Potentiostaten Bis hierhin wurden nahezu alle Experimente unter Einpr gung einer festen Stromst rke d h galvanostatisch durchgef hrt Gerade di
98. disziplin ren und interessanten Themenbereiches Den Professoren Dr Ing Hartmut Grabinski und Dr Ing Hans Georg Musmann danke ich f r die freundliche bernahme des Zweitreferats und des Pr fungsvorsitzes Bei meinen ehemaligen Mitarbeitern Nitriders und andere m chte ich mich ganz herzlich bedanken f r die st ndige Unterst tzung Motivation und Anteilnahme an dieser Arbeit Jochen Aderhold Herr der MO MBE und Technologie Abteilungsleiter Jens Stemmer Zimmernachbar sehr gute interne GaN Proben und Transistorlayout Christian Keck Elek tronik Guru und guter Freund J rg Ackermann Wegbegleiter in den Anf ngen Fritz Fedler XRD und Englisch Experte Dr Olga Semchinova russische Verbindungen und Einfl sse und last not least David Mistele wir kennen uns schon seit dem Ulmer Physik Studium und gewannen gar manchen internationalen Blumentopf Fur ihre Unterst tzung Beitr ge und ihr offenes Ohr m chte ich im weiteren folgenden Lfl und IHW Mitarbeitern danken Ole Mende Prof Karl Hofmann Dr Bernd Schwierzi und Dr R diger Ferretti Andrea und Helmut Lissel Hartmut Schwarz Herrn Salimi Sven R ver Steffen Paprotta Carsten Ahrens Detlef Zech Heiner Nordmeyer Harald Klausing Dr Dirk Uffmann Dr Dieter Lipinsky Thorsten Heidenblut Bernd M ller Martin Kammler und Tobias Wietler David Dalleau und Xiao Ying Yu F r die unb rokratische Bereitstellung von Probenmaterial f r meine
99. dog u PER 1 ATA O90 ine AVN O A A LVN er O te BR x N 00009 al Pe lt I OJ EN O00000 SN N N T S INNE 200009996 I VIVA INN Od O A WIIG BAM M E WK h WN 1 0 0 V wog urn N a 5 v s Be Rogge oy TH io y VV rv oi ADDDDADADADABDOA oe VARIN AY P AAAA N ADO DANY y p Vo 7 gw NY 4 gt 50m HF gS LAV f TN SS SDSPPPPPPPEPPP DDD DDD BD BBBPDP BBB DB DDB BBB BBB DB DD BB DBBBBBP PI ESS SPP pepe nee g EN Str N ae HPIDODIDODOTOA IDO DIDI HOD PDDTDOPODII DOD ID DODD ODED DED I DH PD ADDO DDI Po ODDO 0 AEEA AAEE EE E a aa ahaaa aaar rart arr hrar irtira aririh dehriet teirri rich Abb 9 7 Ausgangskennlinienfeld DC f r einen PEC MOS HFET Hochleistungstransistor 138 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs 9 2 3 PEC MOS HFETs bei hohen Temperaturen Bislang erfolgte die Erw rmung des Kanalbereichs der PEC MOS HFETs lokal durch die dis sipierte Verlustleistung Im folgenden wird das Verhalten der PEC MOS HFETs bei zus tz licher und gleichm iger Erw rmung des gesamten Bauelements von au en untersucht 16 F r konventionelle HFETs ergeben sich bei einer Temperatur von 300 C maximale Drain Str me Ia max und Steilheiten gm um 150 mA mm bzw 17 6 mS mm F r beide Kenndaten sind dies ca 40 der bei Raumtemperatur 22 C erzielten Werte Bei diesen Bauelementen verschiebt sich die Schwellspannung Vn ber den gesamten Temperaturbereich nur unwe
100. doluminescence study of carrier diffusion in AlGaN J Appl Phys 94 2755 2003 W Shockley and W T Read Jr Statistics of the Recombinations of Holes and Electrons Phys Rev 87 835 1952 R N Hall Electron Hole Recombination in Germanium Phys Rev 87 387 1952 BIORAD jetzt Accent Optical Technologies http accentopto com User Manual ECV Profiler PN 4300 S S Kocha M W Peterson D J Arent J M Redwing M A Tischler and J A Turner Electrochemical Investigation of the Gallium Nitride Aqueous Electrolyte Interface J Electrochem Soc 142 L238 1995 M S Minsky M White and E L Hu Room temperature photoenhanced wet etching of GaN Appl Phys Lett 68 1531 1996 176 Literaturverzeichnis 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 D A Stocker E F Schubert J M Redwing Crystallographic wet chemical etching of GaN Appl Phys Lett 73 2654 1998 D Stocker E F Schubert W Grieshaber J M Redwing K S Boutros J S Flynn and R P Vaudo Fabrication and optical pumping of laser cavities made by cleaving and wet chemical etching Mat Res Soc Symp Proc 482 1009 1998 D A Stocker E F Schubert W Grieshaber K S Boutros and J M Redwing Facet roughness analysis for InGaN GaN lasers with cleaved facets Appl Phys Lett 73 1925 1998 T Rotter J Aderhold D Mistele O Semchinova J Stemmer D Uffmann and J G
101. dreiz hlig Abb 2 6 Veranschaulichung zur Drehung der Kristallorientierungen bei der Heteroepitaxie von GaN auf c Saphir Gestrichelt ist in Aufsicht das hexagonale Gitter des Saphirs zusammen mit der ausgezeichneten dreiz hligen Kristallorientierung 2110 dargestellt Das Kristallgitter von GaN kommt in Relation dazu um den Winkel von 30 gedreht zu liegen Auch unterschiedliche Polytypen von Siliziumkarbid SiC meist die hexagonalen 4H und 6H Modifikationen werden h ufig als Substratmaterial f r die Heteroepitaxie von Gruppe III Nitriden verwendet SiC besitzt eine der besten Gitterfehlanpassungen f r die Epitaxie sowohl von AIN als auch von GaN und gleichzeitig eine exzellente W rmeleitf hig keit Tabelle 2 3 was es als erste Wahl f r elektronische Leistungsbauelemente aus zeichnet Der W rmeabfuhr von hohen Leistungsdichten ber das Substrat f llt dabei eine entscheidende Rolle zu Zudem bietet SiC als n bzw p Halbleitermaterial bei ent sprechend leitfahiger Nukleationsschicht die M glichkeit zur R ckseitenkontaktierung wie es bei gro fl chigen LEDs w nschenswert ist Auch lassen sich epitaktisch auf SiC ge wachsene Nitridschichten prinzipiell sehr leicht durch Spalten vereinzeln da hier die Kristall achsen mit denen des Substrats zusammenfallen Dies ist vorteilhaft etwa bei der Herstel lung von Laserfacetten cleaving 18 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN Trotz dieser
102. ds 8 1 Chemische und strukturelle Charakterisierung In Abb 8 1 findet sich ein typisches AES Oberfl chenspektrum einer PEC oxidierten GaN Probe im Vergleich zum oxidfreien Zustand derselben Probe Die Tatsache da auch f r diesen Zustand Sauerstoff an der Oberfl che nachgewiesen werden kann beruht auf der unvermeidbaren Belegung der Probenoberfl che w hrend eines Transfers an Luft native oxide Markant st die Abwesenheit des dem Stickstoff zugeordneten Signals bei 380 eV f r den Fall des PEC Oxids Entsprechend ist daf r das Niveau des Sauerstoffsignals bei 510 eV signifikant angehoben Daraus ist zu schlie en da f r den dargestellten Oxidfilm zumindest innerhalb der typischen Emissionstiefe 1 5 nm von Auger Elektronen keine Stick stoffverbindung mehr existiert Eine chemische Umwandlung der urspr nglichen GaN Schicht hat stattgefunden Anhand einer genaueren Analyse des niederenergetischen Gallium signals Ga M gt 3M4 sMa4s bergang bei 52 57 eV ist weiter festzustellen da eine Neu ordnung in den u eren Elektronenschalen erfolgt ist welche an chemischen Bindungen be teiligt sind Das Signalmaximum wandert von ca 57 eV f r elementares Gallium ber 55 eV f r GaN zu ca 52 eV f r den PEC oxidierten Zustand In Analogie zu Beobachtungen an anodisiertem Galliumphosphid GaP 106 ist dies zusammen mit dem erh hten Sauerstoff gehalt und dem verschwundenen Stickstoffsignal ein sicheres Zeichen daf
103. e Belegung des Dichtungsrings mit freigesetzten Gas blasen l t aber oftmals die effektive Probenfl che und damit auch die Photostromdichte zeit lich nicht konstant wenn nicht zus tzlich in periodischen Zeitabschnitten manuell einge griffen wird Weder die Verwendung der im Versuchsaufbau integrierten Minipumpe bzw Handpumpe noch die Beimischung einer inerten Chemikalie Triton X 100 zum Elektro lyten welche die Oberfl chenspannung drastisch reduziert k nnen die Belegung des Dich tungsrings mit Gasbl schen wirksam verhindern Ein Festhalten der Spannungsdifferenz zwischen der zu tzenden Probe working electrode und der ebenfalls stromf hrenden Platin Gegenelektrode counter electrode erweist sich ebenfalls in vielen Fallen als problematisch und au erdem als teilweise nicht reproduzierbar wie eine entsprechende Versuchsreihe ergab Die erzielten tzresultate scheinen stark vom Zustand der Pt Gegenelektrode abh ngig zu sein Jedoch konnte aus dieser Versuchsreihe in bereinstimmung mit weiteren Experimenten ein eindeutiger Zusammenhang der tzergebnisse Atzrate Photostrom Oberfl chenmorpho logie mit dem sog Aufl sungspotential dissolution potential gefunden werden Dabe wird als Bezugspotential zur tzenden Probe das Ruhepotential der stromlos gehaltenen Referenz elektrode benutzt Die Mehrzahl der weiteren Experimente wurde deshalb unter Verwendung eines sog Potentiostaten d h bei festgehaltenem Aufl sungspoten
104. e der Bandl ckenmitte liegen Shockley Read Hall Modell 63 64 Da aber hre Anzahl und auch der damit verbundene Elektronen Einfangquerschnitt endlich ist wird ihr Einflu bei gr erer Bandkr mmung geringer und verschwindet schlie lich ganz Mit Hilfe derselben Argumentation kann die Verschiebung des Einsatzpunktes des Photostroms mit wachsender Beleuchtungsst rke zu kathodischen Werten hin begr ndet werden Bei st rkerer UV Bestrah lung d h vermehrt generierten Elektron u Lochdichten wird dieser parasit r wirkende Kanal innerhalb des Halbleiters bei kleineren Spannungen ges ttigt und es kommt bereits bei geringerer Bandkr mmung zu einem deutlich sichtbaren Ladungstransfer ber die Grenz fl che dem mefbaren Photostrom siehe rechte logar thmische Halbachse in Abb 5 4 Der Einsatzpunkt des Photostroms wandert mit zunehmender UV Beleuchtungsst rke zu immer mehr kathodischen Werten hin 65 Photoelektrochemische Charakterisierung 5 3 Elektrochemische Kapazit ts Spannungs Messungen F r die MBE Schicht welche auch schon im Kapitel 5 1 zur Photospannung Verwendung fand wurde die Kapazit t der Raumladungszone Cse mit dem vorhandenen elektrochemischen Aufbau in 0 5 molarer Schwefels ure experimentell bestimmt Das Ersatzschaltbild dieser Anordnung ist in Abb 5 6 gegeben Der Faraday Strom ist im unbeleuchteten Zustand innerhalb des f r die Dotierstoff Profilometrie verwendeten Spannungsbereichs der Verar
105. ei Federn gepr ft Handmultimeter oder Parameter Analyzer Sollte der Kontakt Wider stand zu gro bzw nichtlinear sein mu der Kontakt verbessert bzw erneuert werden Anschlie end wird der Elektrolyt in die Zelle eingebracht etwa 7 ml mit Hilfe einer Einmal spritze in welcher die Platin Gegenelektrode fest installiert ist Nach Einrasten der elektro chemischen Zelle im mechanischen Aufbau kann ber einen Spiegel die Belegung des Dichtungsrings mit Luftblaschen berpr ft werden welche evtl durch kleinere Druckst e mit Elektrolyt Fl ssigkeit zu entfernen sind Sollte sich kein Erfolg einstellen empfiehlt sich eine erneute F llung bei leicht gekippter Stellung der elektrochemischen Zelle durchzuf hren so da der Elektrolyt leichter in den Dichtungsring hineinflie en kann In die so vorbereitete Zelle wird die Referenzelektrode SCE eingesetzt Messungen mit dem Semiconductor Parameter Analyzer von HP Agilent 4155A Die Steuerung der tzexperimente erfolgte mit dem Semiconductor Parameter Analyzer 4155A von Hewlett Packard HP Agilent Technologies Der Analyzer wird dazu im transienten sample Modus betrieben so da die proze relevanten Daten Photostrom und Aufl sungspotential mit Hilfe seiner source measurement units SMU s zeitaufgel st beo bachtet und dokumentiert werden 156 Anhang a Galvanische Steuerung In der galvanostatischen Steuerung wird ber die Gegenelektrode Kathode ein bestimmter
106. ei einer Gate L nge von 2 um und einer maximalen Steil heit gm von ber 130 mS mm GR HFETs mit unterschiedlichen Dielektrika PEC Oxid und oder PECVD S102 besitzen einen deutlich gr eren gate voltage swing von ca 10 V gegen ber 5 6 V f r entsprechende HFETs bei einer leicht verminderten aber ber den ge samten swing Bereich nahezu gleichbleibenden Steilheit gm 50 70 mS mm 147 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs 148 Zusammenfassung Kapitel 10 Zusammenfassung In der vorliegenden Arbeit wurden drei Schwerpunkte behandelt welche thematisch eng mit einander verkn pft sind Charakterisierung des AlGaN Elektrolyt Grenziibergangs f r n und p Typ Material Es wird hier aufgezeigt da das elektrische Verhalten des Elektrolyt Kontakts vergleich bar mit dem eines Schottky Metall Kontakts st F r den Grenz bergang wird zuerst die Bandstruktur wiedergegeben mit Hilfe der sog Gerischer Gleichung die elektrische Gleichstrom Charakteristik beschrieben und auch auf die Verschiebung durch den pH Wert des Elektrolyten eingegangen Aus Experimenten unter UV Anregung mit ver nder licher Bestrahlungsst rke werden wichtige Materialparameter a und L und Ladungs tr gertyp bestimmt und Oberfl chenzust nde nachgewiesen Aufgrund des hochgradig sperrenden Elektrolyt Kontakts kann selbst entartetes Probenmaterial n gt 10 cm cha rakterisiert werden Die Analyse ist dabei durch eine alter
107. ektiven Abtrag des ungest rten Probenmaterials Die Kerbe ist massiv mit Versetzungslinien flankiert was deutlich an der Streifenstruktur der Atzkante abgelesen werden kann Die Flanke selbst ist dabei ca 200 nm vom Zentrum der eigentlichen Kerbe entfernt i 179 e lt Z2 l gt Abb 7 16 Am Rande des tzpunkts wird im REM Kontrastbild eine Interferenzerscheinung Schwe bung sichtbar welche w hrend der PEC tzung durch die Verwendung des HeCd Lasers als koh rente UV Ouelle hervorgerufen wurde In den direkt aneinanderliegenden Probenfl chen wird die Auspr gung der whiskers immer noch stark von der lokalen UV Intensit t beeinflu t 97 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Als Schlu bemerkung zu diesem Abschnitt ist noch zu erw hnen da selbst dieser defekt sensitive tzbereich zur Herstellung sehr glatter Oberfl chenmorphologien benutzt werden kann So verwendet Shelton et al 90 nachtr glich zur PEC whisker Generation eine Ultra schall Behandlung in einem schwach alkalischen Bad 0 1 m KOH 10 min um eine mecha nische Zerst rung dieser Nanostrukturen und eine vollst ndige Entfernung der an der Probenoberfl che verbleibenden oxidischen Mischphase herbeizuf hren Von dieser For schergruppe konnte anhand der Herstellung und Charakterisierung von Hochspannung Schottky Gleichrichtern in mesa Geometrie gezeigt werden da diese Art der Prozessierung einer parallel dazu durchgef hrten Trocken tz
108. ellung vgl ECV Profiling in Kapitel 5 3 liefert eine Flachbandspannung Vm von ca 0 86 V bei 1 MHz Tastfrequenz 115 wobei C wiederum der Kapazit t des Halbleiters Cse entspricht Letztere l t sich aus der gemessenen Gesamtkapazitat C und der Ox dkapaz t t Cox unmittelbar ablesbar bei gen gend hohen positiven Spannungen ber die Beziehung f r eine kapazitive Serienschaltung C Ca GE Fa Cs C 8 1 berechnen Aus dem Steigungsverhalten des gleichen Graphen kann auf eine Elektronen konzentration n in der darunterliegenden n GaN Schicht von ca 4 6x10 cm geschlossen werden was in sehr guter bereinstimmung zu den zuvor erw hnten Hall bzw Raman Daten der Probe ist Das CV Verhalten dieser Struktur ist f r verschiedene Frequenzen von 1 kHz bis 1 MHz in Abb 8 7 wiedergegeben Das ausgew hlte Spannungsintervall umfa t die Bereiche der Anreicherung accumulation und der Verarmung depletion Bei stark negativen Spannun gen kleiner als 10 V geht die Verarmung stets in den Bereich der tiefen Verarmung ber Eine Inversionslage ist im GaN Halbleitermaterial aufgrund seiner gro en Bandl cke von 3 4 eV experimentell nicht beobachtbar Verantwortlich hierf r ist die extrem lange Zeit konstante 10 Jahre welche dem Proze der Shockley Read Hall Generation zuzuordnen ist 116 117 Eigenschaften des PEC Oxids 0 95 0 90 0X C C 0 85 0 80
109. em Dielektrikum bei hohen Temperaturen und Leistungen eine kontaminationsarme Grenzfl che bereitzustellen wie es etwa die hier dargestellte PEC Oxidationsmethode ver mag sowohl bei den gew hnlichen PEC MOS HFETs als auch bei den Tandem PEC MOS HFETs fiel keine Struktur bei dieser Temperaturrampe aus 142 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs Hohe Leistungen sind selbst bei der Umgebungstemperatur von 300 C zu erzielen dies ist der h chste apparativ einzustellende Wert wie das folgende Kennlinienfeld gt Abb 9 9 be weist Nach einer Haltezeit von 17 h bei 300 C erreicht das Tandem MOS HFET Bauele ment mit einer runden 5 um langen Gate Elektrode effektive Gate Weite ca 148 um eine DC Ausgangsleistung von 420 mW bzw 2 84 W mm Das Bauelement zeigt einen exzellen ten pinch off bei gleichzeitig nur geringem thermal roll over bei positiven Gate Spannungen Dabei bleibt der Leckstrom der Gate Elektrode ber den gesamten Parameterraum von Vas 0 60 V und V 2 6V u erst gering lt 300 pA um lt ll aan tt LETT Tit tt ttt EEE EN mg OO OO A 00000000000000000000000000000000000004 IANN AAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAANAANAAAADANNNL VVVVVTYV R O A V gt xx gt OD tr N 388OOOOOHHO55H000GHOHPPPHHHPPOPHPPPHHHPOPIPOPIOM vo D LISIS OGRA STS TSIS RELESEESESESERESESESLESEREZESELESEIESESEIESE 0 kERERERRERE EEE E RENERE EE 0 10 20 30
110. emiconductor Parameter Analyzer gef hrt 159 Anhang Anhang C Radikal induziertes PEC Atzen Die sog simple wet etch Methode wurde erstmals 1999 von Jennifer Bardwell 79 beschrie ben Zwei Jahre sp ter stellte sie die zugrundeliegenden Reaktionsmechanismen in Ref 80 zusammen Ausgehend von der traditionellen PEC tzung von GaN mit Pt Gegenelektrode versuchte sie die Notwendigkeit der letzteren durch Zugabe von verschiedenen Oxida tionsmitteln zu vermeiden Das starke Oxidationsmittel Kaliumperoxodisulfat K2S2Os ein Bleichmittel mit Wasserstoffperoxid hnlichen H202 Eigenschaften erweist sich als geeig net Daf r ist im wesentlichen die elektrochemische Einordnung vgl z B Abb 4 3 des Peroxodisulfat Ions S203 und seiner radikalen Folgeprodukte SOs bzw OH verant wortlich Hung et al 134 belegt dies bereits im Zusammenhang mit elektrochemischen Elektrolumineszenzuntersuchungen an In Ga N Das Peroxodisulfat Ion kann mit einem Standard Redoxpotential von 2 01 VvsNHE bzw 1 77 VvsSCE 135 bereits bei Flachband bedingungen in alkalischen L sungen direkt mit dem Valenzband gem der folgenden Glei chung Elektronen bzw L cher austauschen SO gt 2SO0 2h C 1 Die in C 1 beschriebene Reduktion des Peroxodisulfats entspricht einer Elektronenentnahme aus dem Valenzband d h einer Oxidation von GaN Ahnliches gilt auch fiir das nach dem Zerfall des Peroxodisulfations mit Hilfe von UV Stra
111. emische Charakterisierung Kapitel 5 Photoelektrochemische Charakterisierung Elektrochemische Techniken modifizieren grunds tzlich die Oberfl che und sind somit als destruktiv einzuordnen Die Halbleiterprobe ist w hrend eines elektrochemischen Experi ments Anhang B zumindest der rein chemischen Reaktion mit dem Elektrolyten ausge setzt Diese st jedoch n den meisten F llen zu vernachl ssigen Ga polare GaN Oberfl chen hoher Qualit t w derstehen bei Raumtemperatur auch ber einen l ngeren Zeitraum von mehreren Tagen der chemischen Aggressivit t von starken S uren und Basen H gt SO HC KOH m helos 5 1 Photospannung Bei den Untersuchungen zur Photospannung photovoltage werden keine zersetzenden Fara day Str me galvan sche Steuerung m Anhang B zugelassen Es wird lediglich das sog Ruhepotential rest potential der Halbleiterelektrode bez glich der Referenzelektrode SCE in Abh ngigkeit von der eingestrahlten UV Bestrahlungsst rke F bestimmt Die Variation der urspr nglichen maximalen Bestrahlungsst rke F erfolgt mit Breitband Filtern defi nierter optische Dichte D F F x10 Es standen drei Abschw cher mit den optischen Dichten 0 3 1 0 und 1 7 zur Verf gung Durch Kombination lassen sich damit die optischen Dichten D 0 ohne Abschw cher 0 3 1 0 1 3 1 7 2 0 2 7 und 3 0 realisieren Bei hochwertigen Ga polaren Proben erscheint die Oberfl che nach einem derartigen Me z
112. en dies wiirde bei gleichem Einbauverhalten von Dotierstoffen eine deutlich h here L cheranzahl bewirken wie sie etwa bei bipolaren Bauelementen LEDs HBTs u erw nscht ist Bislang basieren jedoch alle kommerziell erh ltlichen Bauelemente auf den Nitriden der Wurtzit Phase Die ebenfalls beobachtete Kochsalz Phase ist erst unter hohem Druck p 2 37 GPa stabil 6 Abb 2 1 Links GaN in der Wurtzit Struktur Die hexagonale Elementarzelle enth lt jeweils zwei Stickstoff und Galliumatome und ist durch dickere Begrenzungslinien hervorgehoben Rechts die kubische Elementarzelle von GaAs welche jeweils vier Arsen und Galliumatome enth lt Die Wurtzit Struktur besitzt eine hexagonal primitive Einheitszelle welche von zwei Atom sorten jeweils zwei Atome enth lt und durch die beiden Gittergr en a und c beschrieben wird Diese Gitterkonstanten sind f r die bin ren Materialien GaN und AIN in Tabelle 2 1 festgehalten Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN Tabelle 2 1 Gitterkonstanten von hexagonalem GaN AIN und Al Ga N Gitterkonstante a A Gitterkonstante c A Verh ltnis c a SN o 3 189 5 185 1 626 AN oO 3 112 4 982 1 601 3 189 0 077xx 5 185 0 203 x x 1 626 0 025 x x Fur die Mischverbindungen des Al Ga N Systems mit dem Aluminium Molanteil x ergibt sich gem dem Vegard schen Gesetz 7 eine entsprechende lineare Interpolation zwischen den beiden Endpunkten f r x 0 GaN und x 1
113. en sowohl zur thermischen Generation von L chern als auch zur Generation an Defekten stark unterdr ckt bzw mit extrem langen Zeitkonstanten verbunden Lawinendurchbruchs verhalten avalanche breakdown ist bei dem wide bandgap Halbleiter AlGaN von nicht allzu groBer Dotierung theoretisch erst bei sehr gro en Spannungen 100 V anzutreffen 56 Als praktikable Art der Anregung der Halbleiterelektrodenoberfl che bleibt somit nur die Bestrah lung mit Photonen geeigneter Wellenl nge 49 Photoelektrochemie von AlGaN Die Absorption eines Photons in einem direkten Halbleiter wie den Gruppe III Nitriden erfolgt f r Photonen Energien gr er als die Bandl ckenenergie Egap E proton he A gt E ap Durch die Absorption eines Photons wird lokal ein Elektron Loch Paar generiert Die Elek tronen und Lochgenerationsrate ist direkt proportional zur rtlichen Abnahme der Photonen stromdichte dF dx Gem dem Lambert Beer schen Gesetz nimmt innerhalb des Halblei ters die Photonenstromdichte exponentiell entlang der Einschu tiefe x ab mit O x x O e 4 19 Dabei ist amp der wellenl ngenabh ngige Absorptionskoeffizient Als Eindringtiefe wird 1 0 bezeichnet Letztere betr gt f r GaN bei einer Anregung mittels eines Helium Cadmium La sers HeCd Wellenl nge 325 nm ca 100 nm 57 und ist somit in der gleichen Gr en ordnung wie die Raumladungszone Waep gt Abschnitt 4 1 Innerhalb der Ei
114. entwicklung findet sowohl mit als auch ohne UV Einstrahlung statt da f r diese Grenzfl chenreaktion Elektronen ben tigt werden welche als Majorit tsladungstr ger im Fall der Akkumulation stets zur Verf gung stehen Um den Halbleiterkristall aufzul sen m ssen Kristallbindungen aufgebrochen und Bindungs elektronen von der Oberfl che entfernt werden Die Anreicherung von L chern an der Grenz fl che eines nitridischen Halbleiters unter UV Bestrahlung bedeutet in der Ladungsbilanz da den oberfl chennahen Gitterbindungen Elektronen fehlen Es k nnen s ch nun Bindungs partner etwa das nukleophile Hydroxyl Ion OH aus einem alkalischen Elektrolyten an einer unges ttigten angeregten Bindungsstelle anlagern und dort als Ausgangspunkt f r weitere sukzessive Oxidationsschritte gebunden werden F r die elektrochemische Zersetzung von GaAs ist bekannt da sich der tzproze in mehre re nacheinander ablaufende Teilreaktionen gliedern l t in welchen die urspr nglich kovalent gebundenen Bestandteile Gallium und Arsen zuerst durch oberfl chennahe Elektronenumver teilungen oxidiert und anschlie end die Oxidationsprodukte Ga und As durch Anlage rung von entsprechenden Hydrath llen n L sung gehen k nnen Ausf hrliche Details k nnen etwa in Ref 59 nachgeschlagen werden sind aber f r das weitere Verst ndnis nicht zwin gend notwendig Die photoelektrochemische Atzrate und damit die von au en direkt me ba
115. er als 1 4 V eine Gerade Aus der ebenfalls in gt Abb 5 5 Tats chlich sind beide Gr en nicht identisch was sich aber leicht dadurch erkl ren l t da nicht alle photogenerierten L cher aufgrund von Rekombinationsmechanismen zur Grenzfl che gelangen k nnen Die Effizienz f r diesen Vorgang wurde aus dem S ttigungsbereich im hier diskutierten Fall zu ca 60 abgesch tzt 63 Photoelektrochemische Charakterisierung durchgef hrten linearen Interpolation f r Wn 0 l t sich nun die Diffusionslange L aus depl dem Achsenabschnitt der Ordinate zu ca 60 nm gewinnen Gleichung 5 4 Dieser f r GaN vergleichsweise hohe Wert ist ein Zeichen von hoher Qualit t f r das hier untersuchte MOVPE Probenmaterial Der Wert der Diffusionslange L ist ein entscheidender Parameter f r bipolare meist vertikal orientierte Bauelemente Erw hnenswert ist in diesem Zusammenhang da im Gegensatz zu blichen Me methoden CL 60 oder electron beam induced current EBIC 61 die Me methode nicht oberfl chenbehaftet ist sondern tats chlich eine Evaluierung der Dif fusionslange L entlang der vertikalen c Achse im Innern des anisotropen Gruppe III Nitrid Materials zul t Als direkter Vergleich st nur eine CL Studie an AlGaN GaN Quanten strukturen bekannt 62 welche f r die Diffusionsl nge L einen Wert von 7 5 nm bestimmt l N 1 photo aoma Abb 5 5 Darstellung des Photostroms gegen ber der nach
116. ergibt sich hier ein Wert f r die Knie spannung von ungef hr 8 V Die extrinsische Transistor Steilheit transconductance oder mutual conductance gm bleibt von der Existenz eines Parallelwiderstands unbeeinflu t Sie wird nur von dem Teil des Drain Stroms Ig welcher auch tats chlich von der Gate Spannung abh ngt gem der Relation ol gun 9 1 ov Vas Const bestimmt K W hrend des Sputter tzens 10 sccm Argon Kammerdruck 4x10 mbar 1000 W zerlief bei diesen Struktu ren der Photolack wegen starker Hitzeentwicklung T gt 70 C Dadurch ging die Strukturtreue verloren 133 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs So ergibt sich f r die ebenfalls in Abb 9 5 verwendete Transistorstruktur eine maximale extrinsische Steilheit Zm ext von 62 mS mm bei der Drain Spannung Vas von 8 V bei welcher auch die Kniespannung des Kennlinienfeldes liegt Die Schwellspannung Vn threshold vol tage welche ma gebend f r eine ffnung bzw Schlie ung des Transistor Kanals ist kann aus Abb 9 5 zu V 3 8 V bestimmt werden Dieser Wert ist nicht einheitlich sondern variiert mit den verwendeten Oxidationsparametern Das Verst rkungsprofil wird bei zuneh mender Drain Spannung immer breiter So ist z B das Intervall f r die Gate Spannung in welchem die Steilheit von ihrem jeweiligen Maximalwert um bis zu 10 abweicht bei Vas 8 V noch relativ schmal 2 8 V w hrend es bei Vas 20 V schon eine B
117. ert w hrend offene Fl chen und hervorstehen de Atzbereiche mit gro em Offnungswinkel eine Ausbildung verhindern 85 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation 7 1 2 Whiskers als dekorierte Versetzungslinien Unter Konditionen f r eine stabile Generierung der whiskers negativere Spannungen ist hre Anzahldichte zwar variabel von Probe zu Probe aber doch nahezu universell bzw intrinsisch f r ein Waferst ck abgesehen von Randeffekten Eine Korrelation mit den ebenfalls vertikal verlaufenden Versetzungslinien innerhalb des Nitrid Material erscheint naheliegend Diese Vermutung wird im weiteren gest rkt durch die bereinstimmung beider Anzahldichten der whiskers und der Versetzungslinien in ihrem Wertebereich von 10 10 cm teilweise sogar h her f r einige der untersuchten MBE Epitaxieschichten Weiterf hrende TEM Unter suchungen best tigen die mittels PEC Technik gewonnenen Ergebnisse sowohl qualitativ als auch quantitativ So wurde z B bei einer MOVPE Probe Y663 die whisker Anzahldichte zu 6 3 1 2x10 cm ausgez hlt w hrend eine TEM Charakterisierung eines anderen Proben st cks des gleichen 2 Wafers eine Versetzungslinien Anzahldichte D von ca 5x10 cm ergab 72 hnliches gilt f r eine Serie von MBE Proben deren TEM Analyse in 73 beschrieben ist Tats chlich konnte via TEM eine 1 1 Aquivalenz zwischen PEC whiskers und Versetzungslinien egal welchen Typs ob Eck Schrauben oder gemis
118. etallischen Verbindungen bergegangen werden Damit lie e sich die Halbleiterkapazitat und der Zuleitungswiderstand drastisch verringern was sich positiv auf das zeitliche Verhalten des Einschwingvorgangs des UV Detektors auswirken sollte 200 200 ER 4 A mit aufsteigender A O 0 v v abfallender UV Intensitat 0 dp Z 200 MOVPE GaN et 200 ee 0 97 400 won Pr 400 EN it X en see pr 600 amp 600 D eo 5 800 Pa DUBIEBEEIN 800 or p 1000 1000 0 1 2 3 dunkel optische Dichte D Abb 5 2 Ruhepotentiale f r eine MBE n GaN Probe n 3x 10 cm und eine Si dotierte MOVPE n GaN Probe n 3x10 cm in Elektrolyten mit unterschiedlichen pH Werten pH 0 bzw 13 7 58 Photoelektrochemische Charakterisierung Der Ladungstr gertyp ob n oder p Typ oder kompensiertes Material bestimmt das Vor zeichen der Photospannung eindeutig unabh ngig vom verwendeten Lichtleistungsbereich So wird f r s mtliche undotierten oder mit Silizium dotierten GaN Proben stets eine negative Photospannung gefunden bertr gt man die gewonnenen Erkenntnisse auf Mg dotierte Proben die sich aufgrund ihrer hohen Resistivitat wenn berhaupt nur sehr schwierig durch kombinierte van der Pauw Hall Messungen elektrisch charakterisieren lassen so erh lt man f r p GaN Proben entsprechend positive Photospannungen 1500 1500 1000 1000 500 mit zunehmender v 500 abnehmender UV Intensit t
119. fall sogar ganz stoppen wenn sich der kegelf rmig zugeschnittene Dichtungsring 1 1 bzw 3 6 mm vollst ndig mit einer Blase belegt Es wird dann kein weiterer Stromflu mehr zugelassen Deswegen mu te speziell bei der kleinen Version von verwendeten Dichtungsringen von Zeit zu Zeit der urspr ngliche Zustand ohne Blasen durch einen von au en initiierten Druckimpuls in Richtung Dichtungsring wieder hergestellt Einem Elektronentransfer entspricht z B die Oxidation von Chloridionen CF zu Chlor an der Oberfl che Das Chloridion gibt dabei ein Elektron an das Leitungsband des n Halbleiters ab Elektroneninjektion N Die ebenfalls m glich Generierung von Ammoniak NH der aber ebenso nur begrenzt wasserl slich ist kann ausgeschlossen werden da bereits geringste freigesetzte Mengen vom menschlichen Geruchsinn wahrgenommen werden 71 PEC Atzen im reaktionslimitierten Regime werden Dazu wurde entweder die im Ger t BIORAD PN4300 integrierte Minipumpe oder ein spezieller Handpumpenaufbau verwendet Aus Gleichung 6 1 geht ebenfalls hervor da nur die Gruppe III Komponente des Grup pe III Nitrids hier Gallium oxidiert wird w hrend der Stickstoff seinen kovalenten Bin dungs und damit auch seinen Oxidationszustand beibeh lt Dies ist im Gegensatz zu konven tionellen II V Verbindungshalbleitern wie etwa GaAs oder InP bei diesen wird w hrend der elektrochemischen Zersetzung auch die Gruppe V Komponente Arsen bz
120. fferenz Vs eV N surface T HM pur EXP a gt 4 2 welche sich innerhalb des Halbleiters ausbildet Aufgrund der Immobilit t der verbleibenden ionisierten Donatorenr mpfe wird ihre loka lisierte Ladung Raumladung space charge genannt Die resultierende Kapazit t Csc ist defi niert durch C o 4 3 SC dV mit der Ladung Qsc innerhalb und dem Spannungsabfall V ber der Raumladungs Zone Die Ausdehnung dieser Zone im Halbraum des Halbleiters wird mit Waep width of depletion ge kennzeichnet Sie liegt bei AlGaN geringer Dotierung 10 cm in der Gr enordnung von 100 nm Die zwei Doppelschichten innerhalb des Elektrolyten die Helmholtz und die Gouy Chapman Schicht etablieren sich f r typische Ionenkonzentrationen 0 1 molare L sungen unmittelbar an der Grenzflache In w r gen L sungen sind es Hydroxyl Ionen OH die sich aufgrund elektrostatischer Wechselwirkung an der Grenzflache sammeln Dabei ist die 38 Photoelektrochemie von AlGaN Helmholtz Schicht eine nur wenige Angstr m breite Zone welche die bestm gliche An n herung von Ionen aus der fl ssigen Phase an die Halbleiteroberfl che beschreibt Adsorp tion bzw Chemosorption Abb 4 1 Halbleiter Elektrolyt Grenzfl che f r einen n Typ Halbleiter mit den dort auftretenden Potentialdifferenzen und von freien Ladungstr gern unbesetzten Zonen innerhalb des Halbleiters Waepi und Elektrolyten dyemnouz Dar
121. g keine bewu te Vorkehrung zur W rmeab fuhr getroffen wurde die Probe ist durch einfachen Unterdruck am MeBteller fixiert Zweitens ist das der Heterostruktur zugrundeliegende Substratmaterial ber welches ein Gro teil der eingepr gten Leistung in Form von W rme abgef hrt werden mu Saphir Seine geringe W rmeleitf higkeit im Vergleich zu anderen Substratmaterialien wie z B 4H SiC wurde be reits im Abschnitt 2 2 1 angesprochen Trotz der extremen Beanspruchung bleibt der Gate Strom bei einem Abstand von Gate und Drain Elektrode von 2 um selbst bei der Maximalleistung und damit h chster lokaler Tempe ratur gt 300 C kleiner als 180 uA mm und somit deutlich unter dem Wert von 1 mA mm welcher blicherweise f r das Durchbruchverhalten von HFETs herangezogen wird Bei V s 0 V liegen die Werte sogar unter 106 uA mm ber PEC Oxid und Gruppe IN Nitrid liegt dann gemittelt eine Feldst rke von 5x10 V cm an was ungef hr der doppelten kriti schen Feldst rke von Si entspricht Damit erreichen die hergestellten PEC MOS HFETs trotz des nicht optimalen Ausgangsmaterials eine von konventionellen HFETs bislang nur in Ein zelf llen erzielte Performance 26 6 W mm 12 W mm 3 W mm 9 W mm 15 W mm gung in 200 aaa k 1 90000805 009 o o ny P VO aa r 9 000 S006 i oo x 5 i Oo O ANMA 00 Ba NN NNNNNNNNNVNNNN ENN AA a Co
122. gertransport und die statistik ist weiterhin die Kenngr e der effektiven Masse eines Elektrons bzw Loches von Bedeutung Diese Gr e ist gem ihrer Definition umgekehrt proportional zur Kr mmung des Leitungsbandes bzw Valenzbandes im T Punkt des reziproken Raums Die effektive Elektronenmasse m und die effektive L chermasse m betragen 0 2 bzw 0 8 des Wertes der freien Elektronenmasse m Bei den Berechnungen wird universell f r das gesamte AlGaN System die effektive Elektronenmasse f r GaN zugrunde gelegt Bei den untersuchten tern ren AlGaN Ver bindungen tritt maximal ein Aluminiumgehalt von 40 auf Derzeit ist die Materialqualitat von tern rem AlGaN bei weitem noch nicht so fortgeschritten wie f r GaN so da die aus der Literatur bekannten Daten 13 welche auf eine leicht erh hte effektive Elektronenmasse hinweisen nicht benutzt werden 10 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN 200 z z E 5 lt z 1 S 5 2 lt 250 _ D C L 300 O C LLI 350 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Aluminiumanteil x im Al Ga N Abb 2 4 Bandl ckenenergie innerhalb des AlGaN Systems Unterhalb der linearen Interpolation durchgezogene Linie verl uft die parabolische Approximation gepunktet an experimentelle Ergebnisse mit einem Kr mmungs Parameter b von 1 0 eV Die hohe Bandl ckenenergie Esap der Gruppe HI Nitride zusammen mit der hohen Durch bruchfeldst rke E und
123. giezust nde m Elektrolyten Ein Redox System ist gekennzeichnet durch seine Fermi Energie Im g ngigen Modell von Gerischer 53 w rd das Redox System beschrieben durch zwe Gau Verteilungen von Elek tronen Energiezust nden Abb 4 2 und Gleichung 4 13 Wie im Festk rper k nnen diese Energiezustande des Redox Systems entweder besetzt diese entsprechen den reduzier ten Spezies z B den OH Ionen oder unbesetzt sein welche dann den oxidierten Gegen st cken innerhalb des Redox Systems z B H202 OH entsprechen Durch unvermeidbare 42 Photoelektrochemie von AlGaN statistische Fluktuationen innerhalb der Solvath lle um die gel sten Redox Partner meist Ionen ist die Verteilung der Zust nde um die Energiewerte Erea bzw Eox jedoch nicht scharf sondern thermisch verschmiert Abb 4 2 Die beiden Energiewerte differieren zum Teil erheblich was auf die starke Wechselwirkung der Ionen des Redox Systems mit dem umge benden L sungsmittel zur ckzuf hren ist Bei gleicher Konzentration von oxidierten und re duzierten Spezies wie auch in Abb 4 2 unterscheiden sich die beiden Energiewerte von der Normal Fermi Energie des Redox Systems Ej um jeweils die sog Reorganisierungs Energie A mit 20 Eo Epeg 4 11 und Eo Ered 2 Es 4 12 Die Reorganisierungs Energie A unterscheidet sich je nach ausgew hlter Kombination von Redox Paar und verwendetem L sungsmittel und lieg
124. h darunter 400m V 1V 10V step 1V f alu 300m ze 4a kA ea oa A AA A vWVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVVY vv ai yy y vY COOOSOSSHSOO SOOO OOO OOO OS OOS oooee 200m Gaara dts Ase a T A mm a111 dd rrhh hhh 100m Abb 9 6 Ausgangskennlinienfeld f r einen vergleichbaren konventionell gefertigten HFET mit Ni Au Schottky Gate mit einwandfreier Mesa Isolierung 135 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs Auf der gleichen Epitaxieschicht prozessierte mit einer Ni Au Schottky Barriere ausge stattete HFETs besitzen deutlich h here Gate Leckstr me Sie liegen im Bereich von einigen 10 uA mm bei ansonsten identischem Transistorlayout F r den besten HFET mit 2 um Gate L nge und 90 um Gate Weite ist das Ausgangskennlinienfeld in Abb 9 6 festge halten Er besitzt einen maximalen Drain Strom Ig max von 360 mA mm und eine maximale Steilheit gm von 41 mS mm bei Vas 8 V Die Schwellspannung l t sich in diesem Fall zu V in 9 7 V bestimmen Im direkten Vergleich besitzt der PEC MOS HFET berragende Kenndaten Iamax und gm Das bessere Steuerungsverhalten h here Steilheit f r den Fall des PEC MOS HFETs l t sich auf eine erh hte Gate Kapaz t t zur ckf hren was einem kleineren Abstand der Gate Metallelektrode vom 2DEG entspricht Erkl ren l t sich dies durch einen Abtrag weniger Nanometer der obersten AlGaN Schichtlagen in den ersten 30 60 Sekunden de
125. hemischen Abtrag f r die chemisch inerten Gruppe UI Nit ride zu etablieren Einleitung Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN Kapitel2 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN Das Verst ndnis der Kristallstruktur von Halbleitern ist insbesondere f r die grunds tzliche Voraussage s mtlicher Materialeigenschaften essentiell Zusammen mit der elementaren Schr dinger Gleichung l t sich aus der Kristallstruktur mittels verschiedener numerischer L sungsans tze die elementare Bandstruktur berechnen welche einen direkten Einblick auf das elektronische Verhalten gew hrt 5 Die bei den Gruppe III Nitriden auftretende Wurtzit Kristallstruktur unterscheidet sich stark von der Kristallstruktur konventioneller Halbleiter S SiGe GaAs InP usw welche allesamt in kubischen Kristallstrukturen Diamant bzw Zinkblende Struktur vorzufinden sind Die wesentlichen Effekte der Polarisation welche im Bauelementedesign von nitridischen Heterostrukturen benutzt werden s nd direkt auf diese Kristalleigenschaft zur ckzuf hren Deswegen finden sich im ersten Teil dieses Kapitels eine genaue Beschreibung der Wurtzit Kristallstruktur und die Wiedergabe von elektronischen und chemischen Eigenschaften der Gruppe II Nitride Der zweite Teil besch ftigt sich mit der Herstellung von Gruppe III Nitriden auf Fremdsubstraten und den daraus resultierenden Defekten vorrangig Versetzungen 2 1 Physikalische Grundlagen innerhalb des Al
126. hlung entstehende radikalisierte Sulfat ion SOx das Redoxpotential ist hier nicht bekannt S 0 Photon A lt 310nm 2 S07 und C 2 SO gt SO hr C 3 160 Anhang Im alkalischen Elektrolyten kann die Entstehung des radikalen Sulfations aber auch zu einem Umschlag des pH Wertes f hren 81 136 w e durch den folgenden Reaktionsverlauf 80 be schrieben wird SO OH SO OH C 4 OH e OH und C 5 OH O H O gt O H 0 C 6 Dieses Ph nomen kann in den folgenden transienten pH Messungen von alkalischen mit Ka liumperoxodisulfat versetzten L sungen beobachtet werden Dabei wurde in einem Becher glas jeweils 20 ml frisch angesetzte Elektrolyt L sung von der 200 W UV Lampe 1500 mW bei 365 nm Abb 9 2 unfokussiert bestrahlt EE I NS w D e 0 02m KOH 0 02m K S_O 2 2 2 8 4 0 1m KOH 0 02m K S O 0 20 40 60 80 160 Zeit min Abb C 1 Transiente pH Verschiebung unter UV Bestrahlung f r verschiedene Ausgangskonzentra tionen von alkalischen mit Peroxosulfationen versetzten Elektrolyten 161 Anhang F r alle untersuchten KOH K2S2Og L sungen in Abb C 1 f llt der pH Wert bei UV Bestrahlung mit der Zeit ab W hrend der pH Wert f r die Ausgangsl sung 0 1 m KOH 0 02 m K2S2Og nur um 0 6 auf 12 4 absinkt ist f r beide quimolaren L sungen sogar ein Umschwung mit einem neutralen Halteniveau S Kurvenform zu einer sauren L sung fe
127. hotoinduzierte Freisetzung von Stickstoff Diese Bereiche sind damit wegen der relat v raschen Belegung des Dich tungsrings mit Gasbl schen f r einen station ren Betrieb nicht praktikabel Der bergang zwischen reaktionslimitiertem tzen im oberen pH Halbraum und diffusions limitiertem tzen bzw Oxidation im unteren pH Halbraum bei einem pH Wert kleiner als 12 7 st ebenfalls als gleitend anzusehen und auch abh ngig vom Grad der eingestrahlten UV Lichtleistung Als Unterscheidungskriterium kann das zeitliche Verhalten des Photostroms w hrend eines PEC Atzexperiments benutzt werden W hrend im reaktionslimitierten Atzre gime der Photostrom im wesentlichen nur von der Lochanzahl an der Oberfl che und damit direkt von der eingestrahlten Lichtleistung abh ngt wird im diffusionslimitierten Bereich ein immer st rkerer Einflu des verwendeten Elektrolyten sichtbar Durch Diffusionseffekte im Halbraum des Elektrolyten wird die Reaktionskinetik auf ein geringeres Niveau gezwungen welches im Gegensatz zum reaktionslimitierten Regime dann nicht mehr unmittelbar von der Beleuchtungsst rke Kapitel 6 bestimmt wird sondern vielmehr von lokalen Eigenschaf ten des Elektrolyten 81 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation 14 Flachbandspannung merklicher Photostrom Nulldurchgang der Kennlinie 13 pH Wert starke Oxid Gas H i Entwicklung bildung 15 40 05 00 Whis
128. i and R J Molnar Wet Thermal Oxidation of GaN J Electron Mater 28 257 1999 T Rotter R Ferretti D Mistele F Fedler H Klausing J Stemmer O K Semchinova J Aderhold and J Graul Electrical properties of photoanodically generated thin oxide films on n GaN J Cryst Growth 230 602 2000 Pers nlicher Daten und Meinungsaustausch mit Dr R diger Ferretti Inst f r Halbleiterbauelemente und Werkstoffe Universitat Hannover H C Casey Jr G G Fountain R G Alley B P Keller and S P DenBaars Low interface trap density for remote plasma deposited SiO2 on n type GaN Appl Phys Lett 68 1850 1996 J I Pankove and H Schade Photoemission from GaN Appl Phys Lett 25 53 1974 S Arulkumaran T Egawa H Ishikawa T Jimbo and M Umeno Investigations of SiO2 n GaN and Si3N4 n GaN insulator semiconductor interfaces with low interface state density Appl Phys Lett 73 809 1998 D K Schroder Semiconductor Material and Device Characterization Wiley New York 1990 T Hashizume E Alekseev D Pavlidis K S Boutros and J Redwing Capacitance voltage characterization of AIN GaN metal insulator semiconductor structures grown on sapphire substrate by metalorganic chemical vapor deposition J Appl Phys 88 1983 2000 J W Johnson B Luo F Ren B P Gila W Krishnamoorthy C R Abernathy S J Pearton J I Chyi T E Nee C M Lee and C C Chuo Gd203 GaN metal ox
129. ich die Momente in der senkrecht zur c Achse liegenden Basalebene gerade gegenseitig kompen sieren resultiert dann nur noch eine Komponente entlang der c Achse Die c Achse gleich zeitig die Wachstumsrichtung w hrend der Epitaxie wird somit zur polaren Achse Die Orientierung der spontanen Polarisation der Gruppe III Nitride deutet somit stets unabh n gig von der Orientierung des Kristalls Ga face oder N face in 0001 Richtung Die spontane Polarisation Psp der Nitride ist damit negativ sie wurde von Bernardini f r GaN x 0 zu 0 029 C m und f r AIN x 1 zu 0 081 C m berechnet Tabelle 3 2 43 und wird f r tern re Al Ga N Verbindungen entsprechend linear interpoliert zu P 0 029 0 052 x x C m 3 2 Die Polarisation ist ein Vektor Seine Dimension r hrt aus seiner Definition die Summe aller Dipolmomente Vektoren Cm pro umschlossenes Volumen Skalar m Im folgenden wird aber nur seine Projektion auf die c Achse ber cksichtigt sein Betrag Ein negatives Vorzeichen kennzeichnet eine Orientierung antiparallel zur c Achse 24 Polarisation Die Nitride verhalten sich in diesem Gesichtspunkt hnlich den II VI Verbindungshalbleitern mit Wurtzit Kristallstruktur speziell dem Zinkoxid ZnO Spontane Polarisation tritt bei den konventionellen III V Verbindungshalbleitern mit einem kubischen Zinkblende Kristallgitter GaAs InP u a im allgemeinen nicht auf da dieses Gitte
130. ide semiconductor field effect transistor Appl Phys Lett 70 3230 2000 F Ren M Hong S N G Chu M A Marcus M J Schurman A Baca S J Pearton and C R Abernathy Effect of temperature on GazO3 Gd203 GaN metal oxide semiconductor field effect transistors Appl Phys Lett 73 3893 1998 181 Literaturverzeichnis 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 T Rotter D Mistele J Stemmer M Seyboth V Schwegler S Paprotta F Fedler H Klausing O K Semchinova J Aderhold and J Graul First AlGaN GaN metal oxide semiconductor heterostructure field effect transistor based on photoanodic oxide Electron Lett 37 715 2001 D Mistele T Rotter K S R ver S Paprotta M Seyboth V Schwegler F Fedler H Klausing O K Semchinova J Stemmer J Aderhold and J Graul First AlGaN GaN MOSFET with photoanodic gate dielectric Mat Sci Eng B 93 107 111 2002 Pers nliche Mitteilung von V Schwegler Abt Optoelektronik Universit t Ulm M J N Pourbaix Atlas of Chemical Equilibria in Aqueous Solutions Natl Assoc Corrosion Engineers Houston TX 1974 J A Bardwell Y Liu S Rauhala P Bouwhuis P Marshall H Tang and J Webb Effect of Various Pre Treatments on TV Al T Au Ohmic Contacts for AlGaN GaN HFET Devices phys stat sol a 188 389 2001 Pers nliche Mitteilung von K S R ver Inst f r
131. ids 105 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Wie in Abb 7 20 veranschaulicht wird k nnen entlang der Metallmaske zus tzliche Hydroxylionen zur tzfront diffundieren da sie dort nicht verbraucht werden Dieser diffusionsbedingte Effekt wird n Ref 54 104 als Randbedingung mathematisch beschrieben und simuliert In weiter Entfernung von der inerten Maske kann sich ein homogener und sehr glatter Oxidfilm etablieren der sich in einem quasi dynamischen Gleichgewicht zwischen Elektrolyt und darunterliegender Gruppe IIl Nitrid Epitaxieschicht immer weiter in letztere gr bt Die Atzrate des in Abb 7 19 wiedergegebenen Prozesses ist trotz eines ungef hr 18 nm dicken Oxidfilms mit 12 nm min immer noch technologisch sehr relevant Die Dicke des Oxidfilms wurde in dazu erg nzenden tiefenaufgel sten AES Untersuchungen bestimmt Ti Maske Oxid Film GaN Abb 7 20 Modell zur OH Diffusion entlang einer inerten Titan Maske Am bergang von unmas kiertem zum maskierten Halbraum werden zus tzliche Mengen von Hydroxylionen bereitgestellt wel che lokal eine pH Variation zu h heren Werten bewirken Da sich dann ein passivierender Oxidfilm nicht bzw nur vermindert ausbildet ist das GaN Material an der Maskenkante einem verst rkten tz angriff ausgesetzt 106 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Durch die oberfl chen passivierende Oxidschicht ist die Gesamt tzrate nun streng mit der
132. ie Etablierung eines Oxidfilms an der GaN Elektrolyt Grenzfl che postuliert 96 97 welcher nach seiner Ausbildung als Diffusionsbarriere f r die an der Oxidation teil nehmenden Hydroxylionen wirkt Die ma geblichen Reaktionen f r den photoelektroche mischen Abtrag von GaN sind also die Oxidation von GaN und die anschlie ende Aufl sung des Oxids durch Umformung in ein alkalisch leicht losliches Ga Spezies 2 GaN 6h 60OH Ga 0 3H O N T 7 1 Ga O 60H gt 2Ga0 gt 3H O 7 2 Damit wurde die PEC Oxidation vom allein chemisch bedingten Oxidabtrag getrennt eine Kopplung der beiden Reaktionsgleichungen 7 1 und 7 2 verbleibt ber das entstehende bzw aufzul sende Oxid GazO3 Dies ist eine Erweiterung des bisher existierenden Modells zum PEC Proze in welchem die PEC Oxidation des Halbleiters mit dem Oxidabtrag unmit telbar miteinander verbunden war In Elektrolyten mit extrem hohem pH Wert pH gt 13 ist diese Sichtweise durchaus ausreichend da hier das feste Oxid quasi instantan in L sung ber geht und somit die Atzkinetik nicht bzw kaum beeinflu t Es gilt erneut zu bedenken da die hier festgehaltenen Grundgleichungen selbst nur eine Art Abstrakt von mehreren aufeinander folgenden Unterreaktionen darstellen deren Kinetik selbst von einem komplizierten Wechsel spiel zwischen dem L sungsmittel Wasser und den gel sten aktiven Spezies Hydroxyl ionen gepr gt ist 79 98 Den beiden Reaktionsgleichu
133. ie Integration in MOS Anwen dungen als geeigneter gt Kapitel 8 Optimierungsversuche zur Steigerung der Oxidations rate wurden aus diesem Grund unterlassen 104 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation 7 2 3 PEC Atzen unter Einbeziehung eines Oxidfilms Wie anhand der Versuchsreihe zur Aktivit t der whiskers bereits gezeigt werden konnte ist die Etablierung einer Oxidschicht am Grenz bergang zwischen Halbleiter und Elektrolyt f rderlich um den defektsensitiven tzbereich zu verlassen und zu sehr glatten Oberfl chen morphologien zu gelangen Abb 7 7 a e se ae PEC Oxid 2 00kU 5mm UNI H LF I Abb 7 19 REM Aufnahme einer PEC oxidierten n GaN Probe In unmittelbarer N he lt 1 um um die mit 100 nm Titan maskierten Bereiche Mitte und linker Bildrand rauht der ansonsten glatte Oxidfilm auf hnlich der whisker Generation selbst gt Abb 7 3 ist auch die Aufl sung des Oxids stark abh ngig vom lokalen pH Wert Gleichung 7 2 Dies wird durch die REM Beobach tungen in Abb 7 19 an einer ge tzten bzw oxidierten und mit Titan maskierten Ringstruk tur weiter untermauert Der bergang zwischen dem mit Oxid bedeckten und dem rauher erscheinenden Bereich in unmittelbarer N he zur Maske erfolgt relativ abrupt und ist deutlich erkennbar Die erh hte Rauhigkeit der Probenoberfl che n der N he der Maske resultiert aus der lokal erh hten Aufl sungsrate des passivierenden Ox
134. ie ist u erst gering einige Nanometer und damit im Bereich der Compton Wellen l nge eines Elektrons A h mec 2 nm Daher ist in diesem Ortsintervall und seiner Um gebung die Schr dinger Gleichung zu l sen Die Energie Eigenwerte der Einzelelektron l sungen sind quantisiert In Abb 3 3 sind deswegen auch die ersten beiden erlaubten Energieniveaus der Grundzustand und der erste angeregte Zustand und ihre zugeh rigen Wellenfunktionen schematisch eingezeichnet 31 Polarisation Durch die quantenmechanisch bedingte Einschr nkung von Streumechanismen lassen sich diese Elektronen entlang der Heterobarriere quasi frei verschieben und ihre Beweglichkeit in diesem 2 dimensionalen Kanal ist deutlich erh ht gegen ber bulk Elektronen die sich zwar in allen drei Dimensionen fortbewegen k nnen aber damit auch verst rkt Streumechanismen unterworfen sind Deshalb wird dieses Ensemble von Ladungstr gern auch als 2 dimensiona les Elektronengas 2DEG bezeichnet 7x10 19 6 1 68 10cm N n 1 48 10 cm 5x10 4x10 C 3x10 2x10 des Ferminiveaus eV Elektronenkonzentration cm 1x10 Leitungsbandunterkante bzgl 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Entfernung von der Oberflache A Abb 3 3 Simulationsergebnis zum rtlichen Verlauf der Leitungsbandkante und Elektronendichte innerhalb einer GaN Alo3Ga N Heterostruktur bei Raumtemperatur Am Grenz bergang zur pseudomorph
135. igkeit gt 5x10 V cm von GaN besitzen die se Heterostrukturen den Vorteil da sich am Grenz bergang 2DEGs mit extrem hohen Fl chenladungsdichten 1 2x10 cm ausbilden welche auf die nitrid spezifischen Polarisa tionseffekte zur ckzuf hren sind Kapitel 3 Damit stellen Mikrowellenversta rker auf Basis von GaN eine erg nzende Technologie mit bislang unerreichter Leistungsperformance f r den mittleren Frequenzbereich 4 40 GHz zu bereits vorhandenen Verst rkern dar gt Abb 9 1 Wie bei III V Halbleitern grunds tzlich blich benutzen diese Verst rker normalerweise eine Schottky Barriere meist Ni Au zur Steuerung des Kanals w hrend die Verwendung von Gate Dielektrika in diesem Zusammenhang bislang noch recht wenig erforscht ist 1998 gelang erstmals F Ren 122 die Demonstration eines GaN MOSFETs Das zus tzliche Di elektr kum soll zum einen die paras t ren Gate Str me drastisch reduzieren und zum anderen den Bereich der Aussteuerung gate voltage swing speziell in Anreicherung zu positiven Gate Spannungen hin erweitern Gerade die extrem geringen Leckstr me lt 10 A cm in R ckw rtsrichtung pr destinieren die PEC Oxide f r den Einsatz in diesen normally on depletion mode FETs Als n chste technologische Stufe wurde deswegen von uns der sog MOS HFET der die Vorz ge beider Typen von FETs miteinander vereinen soll erfolgreich realisiert und vorgestellt 123 124 125 AlGaN GaN HFETs unter
136. ines PEC Atzprofils Als Maskenmaterial wurde eine 100 nm dicke Ti Metallmaske verwendet welche das darunterliegende GaN Material vor UV Bestrahlung ab schirmt Ein Unter tzen der Maske ist nicht beobachtbar Die Streifenstruktur an der vertikalen ca 2 um hohen tzkante r hrt vom kolumnaren Wachstum der Epitaxieschicht her 71 PEC Atzen im reaktionslimitierten Regime 6 3 Oberfl chenmorphologie der ge tzten Strukturen In diesem Abschnitt w rd eine Korrelation zwischen der Oberfl chenqualit t von ge tzten Proben und der eingepr gten Photostromdichte im reaktionslimitierten Regime d h unter Verwendung eines nahezu unverd nnten bas schen Elektrolyten gegeben Alle nachfolgenden Ergebnisse wurden in 0 5 m KOH L sung unter Einwirkung des HeCd Lasers mit einer In tensitat von 110 mW cm erzielt Wie in Abschnitt 6 1 beschrieben werden reproduzierbare tztiefen f r Stromdichte gr er als 0 5 mA cm erreicht In Abb 6 4 sind die resultie renden elektronenmikroskopischen Oberfl chenaufnahmen einer n GaN Probe in einer PEC tztiefe von jeweils ca 400 nm bei Einpr gung von verschiedenen Stromdichten dargestellt Die Atztiefe stimmt trotz der geringen Menge des verbleibenden GaN Materials noch ca 140 nm nahezu ideal berein Dies belegen die Datenpunkte in der Abb 6 1 f r eine verwendete Photoladungsmenge von 1200 mC cm Aus den REM Aufnahmen geht hervor da f r PEC Atzexperimente welche mit geringen Stro
137. inger Temperatur am besten bei Raumtemperatur ist also entscheidend f r die Qualit t des interfaces In den folgenden Abschnitten wird nun die photoelektrochemische Oxidation von n GaN genauer beschrieben und m n chsten Kapitel werden die Eigenschaften der daraus resultierenden Dielektrika im Hinblick auf eine Einbin dung in elektrische Bauelemente als Isolationsschicht bzw als Gate Dielektrikum MOSFET analysiert 7 2 1 Detailliertere Beschreibung der PEC tzung Zu Beginn dieses Kapitels wurde der zeitliche Verlauf des Photostroms w hrend der photo elektrochemischen tzung als Unterscheidungsmerkmal zwischen reaktions und diffusions limitiertem Atzen benutzt Charakteristisch f r das diffusionslimitierte Regime ist der nahezu konstante Photostrom welcher auch bei ansteigender UV Lichtleistung einen kennzeich nenden S ttigungswert beibeh lt und auch kaum mit der potentiostatisch eingepr gten Spannung variiert Dieses Verhalten kann durch die Etablierung einer Diffusionsbarriere an der GaN Elektrolyt Grenzfl che erkl rt werden Diese bedeckt das verbleibende GaN gleich m ig und stellt somit eine Art dynamischen Gleichgewichtszustands her Die einfache Be schreibung der PEC tzung mittels der gt Gesamt Reaktion 6 1 ist damit nicht mehr aus reichend 99 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Zusammen mit anderen Erkenntnissen ber die Natur dieser Zwischenschicht Kapitel 8 wurde erstmals d
138. ionslimitierten Wert Ip ber dem End wert w hrend der Oxidationsphase Nach einem impulsartigen Drucksto mit frischem Elek trolyten kann die Halbleiteroberflache ihren urspriinglichen Zustand ohne Oxidschicht wieder einnehmen Relaxationsphase Wird der Atzzyklus mit einer ECV Charakterisierung gekoppelt erfolgt nun in dieser Phase kurz einer erneuten zyklischen Oxidation die Analyse der Raumladungskapazitat Untersuchungen zur Abh ngigkeit der beiden Kennwerte Ir und Ip von der UV Bestrahlungs st rke gt Abb E 4 und ihre Aufzeichnung Abb E 5 w hrend der kompletten Atzung 167 Anhang einer 2 5 um dicken MOVPE n GaN Schicht n 3 3x10 cm best tigen ihre Zuordnung zum reaktions bzw diffusionslimitierten Reaktionsregime Stromdichte m cm 0 1 2 3 4 UV Intensit t willk Einh Abb E 4 W hrend der Anfangswert der Stromtransienten Ip linear mit der St rke der UV Bestrah lung skaliert ist hingegen ihr Endwert Ip weitestgehend unh ngig davon XH ke N Stromdichte mA cm BE D gt Zeit min Abb E 5 Aufzeichnung der beiden charakteristischen Gr en der Stromtransienten f r die zyklische Oxidation Der Endwert Ip beh lt w hrend der gesamten tzzeit einer 2 5 um dicken n GaN Schicht ein konstantes Niveau Der Anfangswert f llt zum Ende der tzung hin rapide ab 168 Anhang W hrend des in Abb E 5 dargestellten tzprozesses i
139. issertationsschrift noch unver ffentlichte Literatur 139 144 170 Literaturverzeichnis Literaturverzeichnis 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 H Amano M Kito K Hiramatsu and I Akasaki P Type Conduction in Mg Doped GaN Treated with Low Energy Electron Beam Irradiation LEEBI Jap J Appl Phys 28 2112 1989 S Nakamura T Mukai and M Senoh Candela class high brigthness InGaN AlGaN double heterostructure blue light emitting diodes Appl Phys Lett 64 1687 1994 S Nakamura M Senoh S Nagahama N Iwasa T Yamada T Matsushita H Kiyoku and Y Sugimoto InGaN Based Multi Quantum Well Structure Laser Diodes Jpn J Appl Phys Part 2 35 L74 1996 L F Eastman and U K Mishra The Toughest Transistor Yet GaN Transistors IEEE Spectrum 39 5 28 2002 K Seeger Semiconductor Physics An Introduction Springer series in solid state sciences 40 Springer Verlag Berlin Heidelberg New York 1997 X Lie Y Qian S Zhang W Wang X Liu and Y Zhang Coexistence of wurtzite GaN with zinc blende and rocksalt studied by x ray power diffraction and high resolution transmission electron microscopy Appl Phys Lett 69 334 1996 L Vegard Die Konstitution der Mischkristalle und die Raumerfiillung der Atome Zeitschrift fiir Physik 5 17 1921 B Warren X Ray Diffraction Addison Wesley Publishing Company Massachuesetts 1969 S
140. ist auch aus Beobachtungen zur Schichtdicke aus den profilomet rischen Untersuchungen ableitbar Die abtastende Diamantspitze hinterl t auf der Oberfl che von dickeren Oxidfilmen vermehrt feine Kratzspuren Zusammen mit den auftretenden microcracks sind dies Argumente welche das relativ schlechte resistive Verhalten der dickeren Schichten 2200 nm n den elektrischen Kenndaten plausibel erscheinen lassen Tabelle 8 1 Die AES Untersuchungen ergeben f r Oxidfilme welche mit einem Aufl sungspotential von 0 0 5 VvsSCE hergestellt werden ein st chiometrisches Verh ltnis welches der chemi schen Verbindung von Ga2QO3 entspricht Bei Abweichungen von diesem Kernbereich f r die PEC Oxidation Abb 7 1 wird bei der AES Oberfl cheanalyse der generierten PEC Oxidfilme generell ein st chiometrisch zu geringer Sauerstoffgehalt gefunden Auch aus elek tr scher Sicht erweisen sich diese Filme als nicht optimal Aus dem fast linearen IV Verhalten von entsprechenden MOS Strukturen ist es fraglich ob und welche Resistivit t ihnen ber haupt zuzuordnen ist Entsprechendes trifft f r ihre Durchbruchfestigkeit zu In berein stimmung mit AES kristallisiert sich in den elektrischen Untersuchungen f r das optimale Aufl sungspotential ein Wert um 0 1 0 3 VvsSCE Tabelle 8 1 heraus bei gleichzeitig nicht allzu langen Oxidationszeiten lt 60 min Die Bestimmung der dielektrischen Konstante ist direkt verbunden mit einer
141. ist eine universelle Methode um pr zise photo elektrochemisch Gruppe III Nitriden zu tzen un abh ngig vom Ladungstr gertyp Dabei ist nach meinem Kenntnisstand die definierte na chemische Atzung von p GaN Material bislang einmalig Die Methode greift die in gt Kapitel 7 beschriebene Generierung von d nnen Oxidfilmen w hrend des PEC Atzens von n GaN auf Dort wird gezeigt da Oxidfilme bei verd nnten Elektrolyten den st renden Einflu von Versetzungslinien whiskers des heteroepitaktisch aufgewachsenen Materials vermindern gt Abschnitt 7 1 und 7 2 und eine glatte Oberfl chenmorphologie bewirken Schematisch ist diese positive Auswirkung in gt Abb E 1 dargestellt Die Galliumoxid Zwischenschicht bildet sich pr ferentiell an herausragenden Objekten z B whiskers welche die mit negativen Linienladungen versehenen Versetzungslinien nachbilden siehe auch Abb 7 6 139 140 Die Verbesserung des Atzverfahrens in dieser Hinsicht wird aber zu dem Preis einer verminderten da diffusionslimitierten tzrate erkauft Elektrolyt _ pH lt 13 Oxidfilm Ga O Substratmaterial Al O S1C S1 Abb E 1 Die als Zwischenschicht aufwachsende Oxidfilmbarriere vermindert zum einem die tz rate gl ttet zum anderen aber auch evtl vorhandene Unebenheiten z B whiskers 165 Anhang J 1 2 3 56 75853 WH 2 3 4 15 1 N a I I 0 2 i 0 X E F PEN r X Pyp 3 7
142. k negativen Spannungen hier bei 1 0 VvsSCE und entsprechend hohen An zahldichten zu einem Ineinandergreifen derselben f hren Abb 7 7 a Eine eindeutige Ausz hlung der Versetzungslinien Anzahldichte D anhand von whiskers st dann nur noch bedingt m glich Wie in REM Schr gans chten sichtbar gemacht werden kann bilden sich nun h ufiger mehrere Versetzungslinien umfassende Plateaus anstatt diskreter whiskers aus welche je eine einzelne Versetzungslinie repr sentieren Eine Abz hlung der u Plateaus aus Abb 7 7 a ergibt gegen ber der wahren Anzahldichte von D 9 10x10 cm extrahiert aus Abb 7 7 b eine leicht reduzierte Dichte von D 6 7x10 cm Zur Erg nzung dieses Abschnitts werden nachfolgend einige besonders sch ne bzw charak teristische Aufnahmen wiedergegeben Eine Beschreibung ist in der jeweiligen Bildunter schrift zu finden Diese Aufnahmen geben dem Betrachter ein 3 d mensionales Bild zum Auf treten von Versetzungslinien in Gruppe III Nitriden Dies ist im Vergleich zu den Methoden XRD EPD und TEM als Vorteil zu werten welche bestenfalls definierte 2 dimensionale Aufnahmen der Oberfl che oder eines pr parierten Schnitts liefern k nnen EPD bzw TEM 93 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation un NE i wn N N un hay ai ln I A te 1 ly Ma N A a Midi wa x30000 54 v445 AE 61 gt Abb 7 9 REM Schr gansicht von whiskers an einer MOVPE n GaN P
143. ke welche auch einen Hochtemperaturbetrieb zul t und somit die Anforderungen an das thermische Management reduziert hohe S ttigungsgeschwindigkeiten 2 5 3 0x10 cm s und eine kritische Feldst rke um 3 MV cm welche sich unmittelbar in den gr eren Betriebsspannungen widerspiegelt Eine weitere wichtige Eigenschaft der Gruppe III Nitride beruht auf den stark ionischen polarisierten Bindungen innerhalb ihrer Wurtzit Kristallstruktur Dadurch besitzen sie starke pyro und piezoelektrische Eigenschaften Polarisationsfelder bilden sich im Inneren des Materials auch ohne u eres Feld aus was in gt Kapitel 3 dieser Arbeit ausf hrlich disku tiert wird An den nitridischen Hetero berg ngen k nnen sich Grenzfl chenladungen extrem hoher Dichte 1 5x10 cm ausbilden welche bei geeignetem Schichtaufbau die Realisa tion von 2DEGs 2 d mensionalen Elektronengasen mit vergleichbar hohen Flachenladungs dichten zulassen Dieses Faktum ist von gro er Bedeutung denn diese Transistorstrukturen besitzen somit an der Heterogrenzfl che bereits eine Dotierung ohne Dotierstoffe Es ist nicht notwendig wie f r bliche MODFETs modulationsdotierte Feldeffekt Transistoren zur Reduktion des st renden Effekts der St rstellenstreuung Dotierung und Grenzfl che zu separieren Aufgrund all dieser hervorragenden Eigenschaften wird der AlGaN GaN HFET Heterostruktur FET auch als The Toughest Transistor Yet bezeichnet
144. ker Generation J starke Gasbl schen Entwicklung Stick oder Sauer stoff 0 1 0 01 molare OH Konzentration 1E 3 0 5 1 0 Spannung VvsSCE Abb 7 1 bersicht fiir die untersuchten photounterstiitzten tz und Oxidationsbereiche an n GaN f r alkalische Elektrolyten pH 11 14 F r negativere Werte als der Flachbandspannung Vp ist starke Gas Entwicklung beobachtbar linker Bereich Das Auftreten des Photostroms OPC und der Nulldurchgang der Kennlinie PZC sind selbst abh ngig von der zur Verf gung stehenden UV Lichtintensit t es wird also nur der typische Bereich wiedergegeben Der bei mittleren pH Werten von ca 12 3 anzutreffende Bereich der whisker Generation trennt das reaktionslimitierte Regime h here pH Werte vom diffusionskontrollierten tz und Oxidationsregime niedrige pH Werte Auch f r den anodischen Teilbereich ist eine gekr mmte Orientierungslinie eingetragen jenseits welcher mit vermehrter Gasentwicklung zu rechnen ist 82 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Als repr sentatives Beispiel f r das diffusionslimitierte tzen ist in Abb 7 2 der zeitliche Verlauf des Photo Stroms Chronopotentiogramm einer n GaN Probe bei festem Aufl sungspotential 0 2 VvsSCE in 2x10 m KOH L sung pH 11 3 wiedergegeben Der Photostrom ist in der Anfangsphase des PEC Experiments vergleichbar hoch und noch reak tionslimitiert innerhalb einer Minute f llt sein Wert jedoch
145. kner Electrochemical Methods Fundamentals and Applications John Wiley amp Sons New York 2000 175 Literaturverzeichnis 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 M Trivedi and K Shenai Performance evaluation of high power wide band gap semiconductor rectifiers J Appl Phys 85 6889 1999 J F Muth J H Lee I K Shmagin R M Kolbas H C Casey Jr B P Keller U K Mishra and S P DenBaars Absorption coefficient energy gap exciton binding energy and recombination lifetime of GaN obtained from transmission measurements Appl Phys Lett 71 2572 1997 C Youtsey I Adesida and G Bulman Highly anisotropic photoenhanced wet etching of n type GaN Appl Phys Lett 71 2151 2153 1997 P H L Notten Electrochemical study of the etching of II V semiconductors Dissertation TU Eindhoven Niederlande 1989 N Yamamoto H Itoh V Grillo S F Chichibu S Keller J S Speck S P DenBaars U K Mishra S Nakamura and G Salvati Cathodoluminescence characterization of dislocations in gallium nitride using a transmission electron microscope J Appl Phys 94 4315 2003 L Chernyak A Osinsky H Temkin J W Yang Q Chen and M A Khan Electron beam induced current measurements of minority carrier diffusion length in gallium nitride Appl Phys Lett 69 2531 1996 J Barjon J Brault B Daudin D Jalabert and B Sieber Catho
146. krea Im Gleichgewicht engl equilibrium sind die Stromdichten j und jreg ber die Grenz fl che gerade gleich gro aber entgegensetzt je Joxeq Iredeq Die Gesamtstromdichte j ist dann gerade gleich null j Jox eq IRed cq e KoxCrea 7e Kred surface Cox 0 4 17 Die Teilreaktionen und str me wurden dabei in erster N herung proportional zu den Konzen trationen der Reaktionsausgangsstoffe Massenwirkungsgesetz Gleichung 4 16 ange nommen 47 Photoelektrochemie von AlGaN Unter den weiteren Annahmen e eine Variation des Elektrodenpotentials ruft nur eine Variation in der Kr mmung des Bandverlaufs innerhalb des Halbleiters hervor gt Abschnitt 4 1 2 e und die Reaktionsraten kox und krea sind selbst unabh ngig vom anliegenden Potential l t sich die Gesamtstromdichte ber den Grenz bergang analog dem Halbleiter Schottky Metall bergang ausdr cken durch i j 1l a 4 18 la Al Tr le 4 18 Gem Gleichung 4 18 sind Spannungen negativ in bezug auf den Gleichgewichtszu stand V V lt 0 Akkumulation mit exponentiell anwachsenden aber negativen katho dischen Str men verbunden Hingegen erwartet man f r positive Spannungsbereiche einen nahezu unabh ngig von der eingestellten Spannung konstant positiven anodischen Strom V V gt 0 Verarmung Bei einem Halbleiter mit gro er Bandl cke wie AlxGa N ist ohne u ere Anregung dieser anodische Strom der sog D
147. l 500 Ruhepotential mVvsSCE 500 optische Dichte D Abb 5 3 Ruhepotentiale f r ein MBE p GaN Probe im Vergleich zu einer MOVPE n GaN Probe je weils f r 0 5 m Schwefels ure pH 0 Bei Raumtemperatur sind erst ca 1 der tiefen Akzeptoren E 170 220 meV thermisch ionisiert Zudem ist die Beweglichkeit der L cher u nur moderat meist kleiner 20 cm Vs und auch die Herstellung von ohmschen Kontakten wie sie f r die Hall Messung unabl ssig sind nicht trivial 59 Photoelektrochemische Charakterisierung Dies ist exemplarisch in Abb 5 3 verifiziert f r eine p GaN Probe A87 welche nach einer Charakterisierung mittels van der Pauw und Hall entsprechend die elektrischen Kenn daten p 7 3x10 cm u 10 3cm Vs besitzt Die in diesem Fall negative Steigung f llt durch ihre Gr e 340 58 mV Dekade im Vergleich zu den hoch dotierten n GaN Proben 85 2 3 2 bzw 169 7 19 2 mV Dekade auf Dies ist aber aufgrund der hier extrem stark entartenden Dotierung Nmg 10 10 cm verst ndlich Daneben f llt eine starke Ab weichung der Me ergebnisse mit zunehmender Beleuchtungsst rke gegen ber denjenigen mit abnehmender Beleuchtungsst rke auf Daf r ist der aufgrund des hohen Probenwider stands Roux 100 KQ deutlich verlangsamte Relaxationsproze verantwortlich Auch an Proben die durch Hall Messungen elektrisch nicht bzw nur schwer zu charakteri s eren waren wurden diese Messungen nahezu p
148. ladungsdichte n und Beweslichkeit u ergeben sich aus der van der Pauw Hall Messung zu 1 2x10 cm bzw 190 cm Vs Der Wert der Beweglichkeit u ist deutlich geringer als die Werte welche in der Literatur f r AlGaN GaN 2DEGs vorzufinden sind typischerweise 600 1500 cm Vs bei Raumtemperatur Der gemessene Wert liegt n der rauhen Mikrostruktur der Probe 125 interface roughness scattering und einer hohen Dotierung der AlGaN Deckschicht aus CV Messungen ersichtlich begr ndet Trotz der ge ringen Gesamtbeweglichkeit konnte in CV Untersuchungen die Existenz eines 2DEGs an der Grenzfl che eindeutig nachgewiesen werden 124 Die theoretisch zu erwartende Fl chen ladungsdichte n betr gt f r eine g nzlich undotierte Schichtstruktur nur knapp 9 1x10 cm Abb 3 4 Die hohe Dotierung der oberen nominell undotierten AlGaN Schicht ist in den gewonnenen CV Dotierprofilen klar zu erkennen und erklart die Differenz zwischen der ge messenen Flachenladungstragerdichte n und ihrem theoretischen Wert An Teilen desselben Epitaxiewafers sind bereits in der Abteilung Elektronische Bauelemente und Schaltungen Universit t Ulm HFET Transistoreigenschaften analys ert worden Dort konnten durch die Verwendung von Elektronenstrahl geschriebenen 0 25 um breiten Ni Au Gate Fingern HFETs mit maximalen Drain Str men Igmax von bis zu 580 mA mm realisiert werden Die Steilheit transconductance dieser sub um Strukturen liegt bei ca 100
149. lcher die piezoelektrischen Eigenschaften be schreibt besitzt drei nicht verschwindende Komponenten Die Gesamtpolarisation der Gruppe III Nitride setzt sich somit aus einer spontanen und einer piezoelektrischen Komponente zusammen Dies hat wie wir am Ende dieses Kapitels sehen werden wesentlichen Einflu auf die elektronischen Bandschemata von nitridischen Heterostrukturen und darauf bas erenden Transistortypen 3 1 Spontane Polarisation Die spontane oder auch pyroelektrisch genannte Polarisation ist diejenige welche selbst bei einem verspannungsfreien Kristall vorhanden ist m Gegensatz zur piezoelektrischen Polarisation welche erst durch mechanische Deformation von au en eingepr gt wird Die starke spontane Polarisation bei den Nitriden ist eine Folge der fehlenden Inversions symmetrie einer Wurtzit Struktur und des ausgepr gt onischen Charakters der Metall Stickstoff Bindung Im idealen Wurtzit Kristall ist jedes Atom von vier n chsten Nachbarn umgeben die gemeinsam einen Tetraeder um das Zentralatom aufspannen Die Bindungen von exakt gleicher L nge spannen dabei jeweils den typischen Tetraederwinkel s ehe z B CH Molek l von 109 47 auf Das Verh ltnis der beiden Kristallgittergr en a und c ist dann genau c a 48 3 1 633 Die erhebliche Abweichung der realen Kristalle der bin ren Gruppe III Nitride InN AIN und GaN von diesem Wert ist ersichtlich aus gt Tabelle 3 1 Wie bei allen stabilen Wurtzit Krista
150. leichung div D p mit der Materialgleichung D E P eine Grenz flachenladungsdichte o als Differenz der Polarisationswerte P entlang der c Achse mit P unten P oben P unten P oben hy Pien unten Piezo oben 3 7 Diese l t sich nach Gleichung 3 3 auch als Summe der Teildifferenzen in der spontanen wie der piezoelektrischen Polarisation darstellen Ist eine von beiden Schichten oben oder unten unverspannt vereinfacht sich obiger Ausdruck Dies ist z B der Fall bei einer typischen Ga polaren Al Ga N GaN Heterostruktur welche schematisch in Abb 3 1 wiedergegeben ist Dabei wird zun chst GaN mit einer Schichtdicke d 1 um epitaktisch abgeschieden es kann deswegen als relaxiert angenommen werden Das tern re Al Ga N w chst dar ber bis zur kritischen Schichtdicke pseudomorph auf Es st somit tensil ver spannt zugverspannt da das darunterliegende GaN in der Wachstumsebene stets eine gr s sere Gitterkonstante a9 x 0 besitzt als das tern re Al Ga N ao x 0 gt Tabelle 2 1 P Die kritische Schichtdicke beschreibt diejenige Schichtdicke die ein Material bei vollst ndiger Bedeckung 2 dimensionales Wachstum ohne Relaxation auf einer bereitgestellten Gittermatrix aufwachsen kann Sie ist generell gr er f r eine kleinere Gitterfehlanpassung und umgekehrt Unterschiedliche Modelle welche zu hrer Absch tzung benutzt werden geben als typische Gr enordnung f
151. lichkeit gezogen Bis zu den theoretischen Arbeiten von Bernardini et al 43 welche erstmals die Polarisation der Gruppe III Nitride genauer beschreiben waren die in AlGaN GaN Heterostrukturen auf tretenden sehr hohen Ladungsdichten freier Elektronen gr tenteils unverstanden Bei ausreichender Banddiskontinuit t offset zwischen GaN und Al Ga N und hin reichender Sch rfe des Grenz bergangs n einer realen Heterostruktur geringe Grenzfl chen Rauhigkeit wird sich an einem AlGaN GaN Grenz bergang ein 2 dimensionales Elektronen gas 2DEG ausbilden um die dort lokalisierte Grenzfl chenladung elektrisch zu kompen sieren Zur L sung der Poisson Gleichung wird dazu in 1D Simulationen Abb 3 3 und Abb 3 5 die Grenzfl chenladung o durch virtuelle vollst ndig ionisierte und singular an der Grenzfl che auftretende Donatoren nachgebildet Die Fermi Energie Er dient dabei als Ener gie Nullpunkt F r die durchwegs undotierte Alp3Gao7N 30 nm GaN 1 um Heterostruktur sinkt bei vorgegebenen Randbedingungen die Leitungsbandkante unter die Fermi Energie Er Das ist gleichbedeutend mit der Etablierung einer beachtlichen Elektronenanzahldichte am Grenz bergang n 10 cm Durch den Verlauf der selbstkonsistent berechneten Bandstruk tur wird ein Gro teil der Elektronen in einem sehr lokalisierten Gebiet eingekeilt electron confinement Die Breite des nahezu dreieckf rmigen Potentialtopfes unterhalb der Fermi Energ
152. llen ist das reale c a Verh ltnis f r unverspannte Kristalle auch be den Nitriden kleiner als der Idealwert von 1 633 42 Die L nge der Metall Nitrid Bindung entlang der c Richtung bezogen auf die Gitterkonstante c selbst wird durch den dimensionslosen internen Parameter u beschrieben Er selbst ist abh ngig von a und c und f r die ideale Kristall Struktur gerade gleich 3 8 0 375 25 Polarisation Die Lange der drei verbleibenden Bindungen innerhalb des leicht deformierten Tetraeders er gibt sich nach 42 zu 3 4 3 1 X AZ a Jede dieser Tetraederbindungen jeweils eine Gruppe III Metall Stickstoff Bindung hat einen stark ionischen Charakter Dies resultiert aus der gro en Differenz der Elektronegativitat zwischen Stickstoff 3 1 nach Pauling und den Gruppe III Metallen Aluminium und Indium jeweils 1 5 und Gallium 1 8 Die Verlagerung der Bindungselektronen innerhalb einer Metall Stickstoff Bindung zum Stickstoff hin polarisiert diese und versieht sie mit einem ent sprechenden Dipolmoment In einem idealen Wurtzit Kristall w rden sich alle vier Dipolmo mente gerade aufheben und die resultierende spontane Polarisation w re exakt gleich null Nun ist aber n den realen Kristallen der Nitride die Bindung entlang der c Achse gegen ber den anderen Bindungen gestreckt gt Tabelle 3 1 und damit auch das dazugeh rige Dipol moment im Vergleich zu den anderen innerhalb des Tetraeders vergr ert W hrend s
153. llium nitride Appl Phys Lett 74 2495 1999 D Mistele T Rotter Z Bougrioua K S R ver F Fedler H Klausing J Stemmer O K Semchinova J Aderhold and J Graul Heterostructure Field Effect Transistor Types with Novel Gate Dielectrics phys stat sol a 188 255 2001 J H Edgar Common crystal structures of group III nitrides in J H Edgar Hrsg Properties of Group III Nitrides EMIS Datareviews Series No 11 Stevenage INSPEC 1994 F Bernadini V Fiorentini and D Vanderbilt Spontaneous polarization and piezoelectric constants of II V nitrides Phys Rev B 56 10024 1997 A Polian Mechanical properties of the group ITI nitrides in J H Edgar S Strite I Akasaki H Amano and C Wetzel Hrsg Properties Processing and Applications of Gallium Nitride and Related Semiconductors EMIS Datareviews Series No 23 Stevenage INSPEC 1999 174 Literaturverzeichnis 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 L S Yu D J Qiao Q J Xing S S Lau K S Boutros and J M Redwing Ni and Ti Schottky barriers on n AlGaN grown on SiC substrates Appl Phys Lett 73 238 1998 Debdeep Jena and U K Mishra Effect of scattering by strain fields surrounding edge dislocations on electron transport in two dimensional electron gases Appl Phys Lett 80 64 2002 R P Joshi S Viswanadha B Jogai P Shah and R D del Rosario Analy
154. lso durch UV Bestrahlung gezielt die Be reitschaft des Halbleiterkristalls zur anodischen Zersetzung gesteigert werden Jedoch ist wie oben schon erw hnt in diesem Me modus ein Ladungstransfer und damit auch eine elektro chemische tzung unterbunden Dabei best tigt uns die Koinzidenz der beiden Me reihen in der Annahme da durch den niederenergetischen PEC tzproze weder die St chiometrie noch das elektro chemische Verhalten der Oberfl che wesentlich ver ndert werden 0 0 Gp 200 ander Oberfl che A 200 O 4 mit aufsteigender 400 v abfallender UV Intensit t 400 5 v 5 4 is 600 6 600 5 y Q 5 800 v 800 Z y nach einem PEC tzschritt 1000 m A mit aufsteigender 1000 v abfallender UV Intensit t 1200 1200 0 1 2 3 dunkel optische Dichte D Abb 5 1 Ruhepotentiale f r eine MBE n GaN Probe in Abh ngigkeit der eingestrahlten UV Licht intensit t in 0 5 m KOH L sung pH 13 7 Po 100 mW cm 56 Photoelektrochemische Charakterisierung Jede Me reihe wurde f r sich einmal mit zunehmender und einmal mit abnehmender Be leuchtungsst rke durchgef hrt Die Ruhespannungen wurden dabei erst nach einem gewissen Einschwingvorgang ca 1 Minute bernommen Dieser hysteresebehaftete Relaxations proze ist dem in dieser Me anordnung nicht zu vernachl ssigendem RC Glied Proben und elektrischer Zuleitungswiderstand R und Halbleiter Elektrolyt Grenzfl chenkapazit t C siehe Kapitel 4 1 un
155. lung von AES Oberfl chenspektren einer n GaN Probe vor oben und nach unten einer PEC Oxidation 110 Eigenschaften des PEC Oxids In Abb 8 2 ist die tiefenaufgel ste Zusammensetzung eines PEC Oxidfilm PEC Oxidations konditionen 60 min 0 VvsSCE 4x10 m KOH in den Elementen Gallium Stickstoff und Sauerstoff laut AES dargestellt Ein markanter Anstieg des Stickstoff Signals ist hier erst in einer Tiefe ab 55 nm zu erkennen w hrend das Sauerstoff Signal nahezu linear bis zu einer Tiefe von 120 nm hin abnimmt Wird das Ansteigen des Stickstoffs als Kriterium f r die Bemessung der Oxidschichtdicke benutzt so kann in diesem Fall die Oxiddicke zu ungef hr 60 nm abgesch tzt werden w hrend profilometrisch f r diesen Oxidfilm ein Wert von ca 80 nm ermittelt wird Die Pr senz von Sauerstoff selbst in einer Tiefe gr er als 70 nm in welcher Stickstoff und Gallium bereits ihr f r GaN typisches st chiometrisches Verh ltnis 1 1 ann hernd erreichen deutet auf eine Gallium Oxynitrid Gax42 O 3 x N3x Zwischen phase hin Letztere wurde von Mohney 108 bei der Analyse ihrer thermisch generierten Oxidfilme ebenfalls postuliert und experimentell mittels hochaufl sender TEM nachge wiesen Tiefe nm 0 50 100 150 200 250 c S LLI x O Z A 0 100 200 300 400 500 Sputterzeit s Abb 8 2 Tiefenaufgel ste elementare Zusammensetzung laut AES eines etwa 60 nm dicken PEC Oxidfilms PEC Konditionen
156. lungsstadiums dennoch beachtliche Ergebnisse erzielt So ist die Grenzfl chenzustandsdichte eine der geringsten f r bereits verwendete Dielektrika auf GaN bei gleichzeitig hohem Widerstand und guter Durchbruchfestigkeit Eine Zusammenfassung und ein Vergleich von verschiedenen Dielektrika f r die Gruppe III Nit ride ist in gt Tabelle 8 2 gegeben Tabelle 8 2 M gliche Dielektrika zur Verwendung bei den Gruppe III Nitriden dielektrische und strukturelle Eigenschaften fe Schmelz krit Feld Gitterfehl Grenzfl chen eV punkt K st rke Ee anpassung zustandsdichte MV cm cm 3 44 gt 2500 89 3 85 I5 2 amorph 1x10 11201 ALO 75 2310 7 5 11 5 10 50 amorph o 1993 amorph 2 5 8 9x10 116 18 75 21733 75 10 amorph 6 5x10 _ 118 640 153 2670 114 03 2 Ton 4 4 PEC Ga203 4 4 2013 lt 10 gt 0 6 amorph 1x10 1 ale 114 gt 3 15 9 5 10 0 3 3 123 Eigenschaften des PEC Oxids 124 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs Kapitel9 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs Es ist bereits eine Vielzahl fortgeschrittener Transistorentypen in GaN Technologie realisiert worden 15 darunter HBTs HFETs und MODFETs Das Hauptaugenmerk der GaN Elektro nik richtet sich dabei auf AlGaN GaN HFETs Neben den hohen Werten f r die Driftge schwindigkeit 3x10 cm s und Durchbruchfest
157. lzhofen bei Oberstaufen neusprachliches Gymnasium Immenstadt mathemathisch naturwissenschaftliches Gymnasium Sonthofen Abitur Gebirgsj ger in Mittenwald Physik Studium an der Universitat Ulm Diplom Diplomarbeit in der Abteilung Optoelektronik Fakultat fur Ingenieurwissenschaften Universitat Ulm Untersuchung an nitridischen IIV V Heterostrukturen im Hinblick auf Leuchtdioden wissenschaftlicher Angestellter am Laboratorium f r Informationstechnologie Lfl Universit t Hannover wissenschaftlicher Angestellter am Lehrstuhl f r Elektronische Bauelemente LEB Universit t Erlangen N rnberg Neunkirchen am Brand 1m Dezember 2004
158. m Krimmungsradius von 12 um ber eine mikroskopisch geformte Oberfl che beliebiger Topo graphie Eine Untersch tzung der wahren mittleren tztiefe ist dadurch leicht gegeben da kleine Vertiefungen zum Teil nicht erkannt werden k nnen 400 300 200 mittlere Atztiefe nm 100 0 1 2 3 4 5 6 7 Photostromdichte mA cm Abb 6 2 Mittlere PEC Atztiefe in Abh ngigkeit von der eingepr gten Photostromdichte Die Atzzeit ist in allen dargestellten F llen entsprechend angepa t so da die fl chenspezifische Photoladung q gerade jeweils 800 mC cm betr gt Als Orientierungslinien sind auch die theoretisch zu erwartenden Atztiefen f r eine Valenz z von 3 380 nm 4 285 nm und 6 190 nm wiedergegeben 75 PEC Atzen im reaktionslimitierten Regime Es wurde somit experimentell best tigt da die grundlegende Reaktion bei der photoelektro chemischen tzung von Gruppe III Nitriden hier GaN einer Oxidation des Gruppe III Me talls hier Gallium in den Oxidationszustand 3 und einer Freisetzung des Stickstoffs 1m ko valenten Bindungszustand als Stickstoffgas N2 entspricht gt Gleichung 6 1 Dies wird im weiteren auch durch eine gute bereinstimmung zwischen den abgesch tzten Gasvolu mina am Dichtungsring w hrend des tzexperiments beobachteten und der theoretisch aus dem Materialabtrag bzw der Photoladung vorausgesagten Gasentwicklung gem den Gleichungen 6 1 und 6 2 untermauert Aus beiden
159. mdichten von 0 5 bzw 1 0 mA cm durchef hrt werden relativ glatte Schichtmorphologien mit kleineren sechseckigen Ver iefungen resultieren welche wohl auf eine kristallographisch bedingte tzung an Defekten zur ckzuf hren sind 68 Mit gr eren Werten f r die von au en eingepr gte Stromdichte wird die generierte Oberfl che zunehmend rauher Dieses Verhalten findet s ch auch n mikroskopischen Schr gaufnahmen und den entsprechenden oberfl chen profilometrischen Analysen wieder Die allgemein anzutreffende hohe Oberfl chendurchsto dichte von Versetzungen l t einen gleichm igen d h einen technologisch verwertbaren Abtrag bei gleichzeitig hohen tzraten nicht zu Der Einflu der Versetzungslinien welche als Zentren f r nicht strahlende Rekom binationen dienen gt Abschnitte 2 2 2 und 7 1 wird bei hohen tzraten immer deutlicher Bei hohen tzraten nimmt ein Gro teil der L cher welche gerade an die Grenzfl che gelan gen direkt an der tzreaktion teil Gleichung 6 1 Ihre mittlere Verweildauer an der Oberfl che und damit die Zeit um an Ausgleichsmechanismen der Oberfl chenl cherkon zentration teilzunehmen ist damit k rzer als bei kleineren tzraten Im reaktionslimitierten Regime wird das Material somit mikroskopisch inhomogen abgetragen und die resultierende Oberfl chenrauhigkeit ist dementsprechend hoch Bei geringem tzabtrag k nnen die an der Oberfl che akkumulierten L cher l nger diffun
160. n gleich mit welcher Wachs tumstechnik sie hergestellt worden sind selbst bei dickeren HVPE Schichten oder Epitaxie schichten auf dem Substratmaterial SiC welches eine der besten Gitterfehlanpassungen be sitzt Zum Vergleich die Dichten von Versetzungslinien welche bei der Homoepitaxie von Galliumarsenid bzw Silizium entstehen 10 10 cm bzw nahezu null Eine grunds tzliche Klassifizierung in Eck Schrauben und Versetzungen mit gemischtem Charakter ist durchf hrbar Reine Eck oder Schraubenversetzungen besitzen einen Burgers vektor b aus der Familie von Kristallorientierungen 1 3 2110 bzw 0001 mit einer Linien g orientierung entlang der hochsymmetrischen Kristallachse 0001 Gemischte Versetzungen kennzeichnen sich durch eine dazu leicht 10 gekippte Linienorientierung in Richtung ihres Burgervektors aus der Familie 1 3 2113 l Es ist zun chst schwer verst ndlich warum bei den Gruppe III Nitriden trotz der enorm groBen Dichte von Versetzungslinien mindestens 4 Gr enordnungen h her 29 als bei den traditionell in der Optoelektronik verwendeten III V Halbleitermaterialien die Lichtausbeu te in blauen und gr nen LEDs mit InGaN als aktivem Medium ausreichend war f r den kom merziellen Siegeszug welchen diese Bauelemente in den sp ten 90er Jahren bis heute erfah ren haben Dieses Verhalten resultiert aus dem Zusammenspiel einer vergleichsweise gerin gen Diffusionsl nge der Minorit tsladungst
161. n diese als mono etwa GaCl bzw trivalentes etwa AlCl oder InCl Metall Chlorid in die eigentliche Proze kammer getragen Die Austauschreaktion mit Ammoniak lautet GaC NH mW gt GaN HC1 gasf rmig gasf rmig gasf rmig Mr Restgase A 3 Es werden durchwegs sehr hohe Wachstumsraten 30 130 um h erzielt Damit ist dieses Ver fahren ideal geeignet zur Bereitstellung von sog quasibulk templates sehr dicken 30 bis 500 um Epitaxieschichten welche bei relativ geringer verbleibender Versetzungsanzahl dichte 10 cm als Ausgangsmaterial f r weitere Epitaxieschritte mittels MBE MOVPE verwendet werden k nnen Strukturen die scharfe berg nge in der Dotierung bzw in der Komposition LEDs bzw HEMTs ben tigen lassen sich aus demselben Grund mittels HVPE hingegen nur bedingt bzw gar nicht realisieren Ansonsten ist sowohl das Reaktor design als auch die Verfahrenstechnik hnlich zur MOVPE 155 Anhang Anhang B Versuchsbeschreibung Vorbereitung Die sorgsam gereinigte Probe wird zun chst mit Indium Gallium Eutektikum Schmelzpunkt bei ca 15 C so prapariert da ein ohmscher Kontakt von der Vorderseite realisiert wird Dazu wird das Eutektikum im Randbereich m glichst punktweise aufgetragen Das Proben st ck wird anschlie end durch eine Klemmvorrichtung vorsichtig an den Dichtungsring der elektrochemischen Zelle gepre t und das Widerstandsverhalten durch die Punktkontakte ber zw
162. n einfarbig aufgrund von Interferenz erscheinungen Dieser Interferenzeffekt ist ein Zeichen f r die Ausbildung eines glatten und gleichm ig dicken Oxidfilms Seine Dicke korreliert mit entsprechenden Interferenzfarben An den R ndern der oxidierten Bereiche sind in vielen F llen radial angeordnete Abstufungen der Interferenzfarben erkennbar welche leicht zus tzlichen Diffusionserscheinungen m Randbereich zuzuordnen sind Die Farbe eines solchen Films variiert nach einem typischen kurzen Oxidationsgang 30 min von einem Braun bis zu einem schwachen Blau was einer Dicke von lt 100 120 nm entspricht 102 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Es handelt sich hierbei nicht um ein deponiertes d h ein von au en aufgebrachtes Oxid son dern es verh lt sich vielmehr im Hinblick auf eine Bestimmung der Schichtdicke hnlich einem thermisch generierten Oxid da auch hier das urspr ngliche Halbleitermaterial ver braucht und umgewandelt wird Seine Gesamtschichtdicke kann daher nicht direkt durch ein malige profilometrische Messung bestimmt werden sondern l t s ch erst aus der Differenz mit einem zweiten H henprofil nach einem selektiven Abtrag des Oxids z B in 1 n HCl f r 10 60 s bestimmen Da eine Erfassung d nner Schichtdicken lt 100 nm in dieser Technik nicht praktikabel ist wurde speziell bei den d nneren Oxiden die Farbtabelle von S102 n 1 48 bzw SiN n 1 97 99 benutzt um eine bessere Absch tz
163. n typischen Streumechanismen wie etwa die Streuung an Defekten und Storstellen hohe Anzahl an Versetzungslinien und die piezoakustische Streuung Diese werden von den hohen Elektronendichten z T effektiv abgeschirmt 34 46 47 Eine Verschmierung der Grenzfl chenladung ber einen gr eren rtlichen Bereich w rde die Fl chenladungstr gerdichte n nicht merklich reduzieren Gem eigenen Simulationen bedingt z B eine Verschmierung der polarisationsbedingten Grenzfl chenladung ber 6 nm gerade eine Reduktion der Fl chenladungstr gerdichte n von nur 2 33 Polarisation d AlGaN 30 nm Ga face AlGaN GaN N face GaN AIGaN Sheet Carrier Concentration ng om top layer 30 nm 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Alloy Composition x Abb 3 4 Die 2DEG Fl chenladungsdichte n an der Grenzfl che eines pseudomorphen Ga polaren GaN Al Ga N Hetero bergangs in Abh ngigkeit des Al Gehalts x f r verschiedene Dicken der AlGaN Barriere d AlGaN Mit zunehmender Dicke n hern sich die analytisch ermittelten Ladungs tr gerfl chendichten n immer mehr dem theoretisch erreichbaren Grenzwert o e f r eine unendlich dicke Barriere Die hervorgehobene Punktl sung im kleineren Diagramm f r eine Barrierendicke d AlGaN 30 nm und einem Al Gehalt x 0 3 entspricht dabei dem Simulationsergebnis von Abb 3 3 n 1 48x10 cm Die Abbildung ist der Ref 10 entnommen Die beraus starke Lokalisierung des 2DEGs wird du
164. ndringtiefe wer den 63 2 1 1 e 0 632 der Photonen absorbiert W hrend die Elektron Loch Paare im teldfreien Volumenmaterial strahlend oder nicht strahlend rekombinieren werden diejenigen welche innerhalb der Raumladungszone generiert wurden durch das hier auftretende elektri sche Feld voneinander getrennt Die Elektronen als Majorit tsladungstr ger werden wie in Abb 4 4 dargestellt ins Innere des Halbleiters beschleunigt w hrend sich die L cher als Minorit tsladungstr ger an der Oberfl che zum Elektrolyten hin anreichern Durch das lokale Feld st die Dichte der L cher am Rand der Raumladungszone zum Volumenhalbleiter auch bei UV Bestrahlung praktisch gleich Null Dadurch gelangen auch L cher welche innerhalb des anschlie enden Diffusionsgebiets durch Paar Generation bereitgestellt werden n die Raumladungszone und auch sie werden dort durch das hier auftretende elektrische Feld zur Oberfl che hin beschleunigt Die Ausdehnung des Diffusionsgebiets ist gegeben durch die Diffusionsl nge L f r die Minorit tsladungstr ger welche mit der Diffusionskonstante D der L cher und ihrer Lebensdauer Tp ber folgende Beziehung verkn pft ist L Dr 4 20 50 Photoelektrochemie von AlGaN Durch die Einstein Relation D kTu e 4 21 steht die Diffusionskonstante D selbst in direktem Zusammenhang mit der Beweglichkeit der L cher up Energie Bereich der Rekombination Ladungstrennung L Weep
165. negativer tzstrom eingepr gt Die Halbleiter Elektrode Anode ist direkt auf Masse durch die UV bestrahlte Halbleiter Elektrolyt Grenzfl che tritt der Faraday sche Atzstrom in posi tiver Form In diesem Modus regelt der Analyzer selbstst ndig das Potential der Gegenelek trode nach so da der eingestellte tzstrom konstant beibehalten wird Probleme bei dieser Steuerung birgt die Belegung des Dichtungsrings mit Gasbl schen Sie k nnen zum Strom abr f hren und die Regelung zum Ausschlag an den eingestellten Grenzwert f r den erlaub ten Spannungsbereich der Gegenelektrode bewirken Dem kann eventuell durch Entfernung eines st renden Gasbl schens entgegengewirkt werden Dazu mu die tzung kurz pausieren und dann wieder fortgef hrt werden b Potentiostatische Steuerung Der Potentiostat ist eine elektronische Schaltung die mit Hilfe von Operationsverstarkern elektrochemische Messungen an Elektroden erlaubt In der sog 3 Elektrodenkonstellation wird neben der Arbeits Halbleiterelektrode WE und Gegenelektrode CE Platindraht eine stromlos gehaltene Referenzelektrode SCE benutzt Durch die potentiostatische Regelung ist es m glich in der elektrochemischen Zelle die Potentialdifferenz der Arbeitselektrode gegen ber der Referenzelektrode auf einen von au en eingepr gten Spannungswert einzustellen unabh ngig vom Zelleninnenwiderstand Der Schaltungsaufbau des Potentiostaten welcher in gt Abb B 1 schemati
166. ngen 7 1 und 7 2 ist jedoch zu entnehmen da sowohl Oxidation als auch die anschlie ende Umformung des Oxids einen hohen Umsatz an OH Ionen besitzen Die Oxiddicke nimmt solange zu bis die Aufl sungs rate des Oxids und die Oxidationsrate der GaN Epitaxieschicht sich gegenseitig kompen sieren Dann hat sich an der Grenzfl che ein dynamisches Gleichgewicht etabliert der von au en beobachtbare Photostrom n mmt einen konstanten Wert an 100 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation 7 2 2 Oxidationskinetik und Schichtdicke Die nachfolgend beschriebenen Experimente zur Kinetik des Oxidationsprozesses wurden in einem Elektrolyten durchgef hrt der normalerweise f r das photounterst tzte Atzen von GaAs verwendet wird 54 In dieser Versuchsreihe wurde die UV Strahlung hier HeCd Laser mit rund 400 mW cm zwischen zwei Photooxidationsperioden von jeweils 180s f r 10 30 bzw 90 s unterbrochen 90 Sek Dunkel Unterbrechung 0 5 mA cm Photostromdichte 30 Sek Dunkel Unterbrechung 100 Sekunden 10 Sek Dunkel Unterbrechung Zeit Abb 7 17 Transienter Verlauf des Photostroms f r eine station r gehaltene n GaN Elektrode 0 2 VvsSCE Nach einer identischen Beleuchtungszeit von jeweils 180 s wird die UV Bestrahlung f r 10 30 bzw 90 s ausgesetzt Das Photostromsignal direkt nach dem Wiedereinschalten des UV Lichtquelle dient als Ma zur Beurteilung der remanenten Passivierung des im v
167. nierend durchzuf hrende elek trochemische in situ tzung des Materials nicht auf den oberfl chennahen Bereich be schr nkt sondern erfa t prinzipiell die ganze Probentiefe In Zusammenarbeit mit einem deutschen Equipment Hersteller wurde dazu ein spezielles Verfahren entwickelt mit dem selbst normalerweise schwierig zu tzende p Typ Gruppe I Nitridschichten homogen und definiert abgetragen werden k nnen Entwicklung einer photoelektrochemischen tz und Oxidationstechnik Gruppe III Nitride sind im allgemeinen inert gegen ber allen bekannten S uren und Basen Durch die Generierung von oberfl chennahen L chern mittels UV Absorption in der Raumladungszone zum transparenten Elektrolyten hin ist eine tzung von AlGaN m glich Die Atzrate wird durch das Faraday sche Gesetz beschrieben In diesem Zusam menhang erfolgt eine Diskussion ber die Besonderheit der Valenz z f r die Gruppe III Nitride im Vergleich zu konventionellen III V Halbleitern F r hohe pH Werte 213 ist die tzrate bestimmt die Beleuchtungsst rke und damit reaktionslimiert Bei Verwendung von verd nnten Elektrolyten mit niedrigeren pH Werten 12 stellt sich nach kurzem ein dynamischer Gleichgewichtzustand an der Oberfl che zwischen AlGaN und Elektrolyt ein Es wird die Etablierung einer Oxid Zwischenschicht postuliert und ex 149 Zusammenfassung perimentell nachgewiesen Die PEC tzung in diesem tzregime ist lateral homogen und die Oberfl chenmor
168. nlinienbild eines PEC MOS HFET Transistors mit 90 um weitem und 4 um langem Gate Obwohl dieser Transistor bei kleinen Versorgungsspannungen Vas lt 20 V mit einem maximalen Drain Strom Igmax von 24 1 mA bzw normiert 267 mA mm V 3 V nicht zu den besten z hlt so besitzt er doch bei mittleren und h heren Spannungen mit dem verwendeten Semiconductor Parameter Analyzer HP 4155A st die Bauelement Evaluierung bei 100 V begrenzt berragende DC Leistungsdaten Bei den Messungen liegen sowohl die Gate als auch die Drain Spannung kontinuierlich an Im Kennlinienbild ist f r V 2 V ab einer Drain Source Spannung von ca 10 V die Stromdichte im Kennlinienfeld r ckl ufig Dies ist in einer starken Erw rmung des Kontakt und auch des Elektronen Kanalbereichs begr ndet welche m allgemeinen nega tive Auswirkungen auf die maximal erreichbare S ttigungsgeschwindigkeit hat thermal roll over Speziell f r eine Ansteuerung des Transistors mit einer positiven Gate Spannung redu ziert sich die Stromdichte deutlich F r hohe Spannungen und damit auch abzuf hrende W rmeleistungen sind dies bis zu 41 Zur Orientierung sind in gt Abb 9 7 die Leistungs hyperbeln f r 3 6 9 12 und 15 W mm ebenfalls mit aufgenommen Am Endpunkt wird eine DC Maximalleistung von 12 5 W mm Vas 100 V V 2 V ber den Transistor gef hrt 137 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs Dies ist bemerkenswert da erstens f r die Messun
169. nsten gleichen Parametern 0 02 m KOH und 310 mW cm UV Beleuchtungsst rke wurde lediglich das angelegte Aufl sungspotential variiert Dies ent spricht in gt Abb 7 1 einem Durchschreiten des f r das Auftreten von whiskers typischen Be reichs entlang der Spannungshauptachse zum angrenzenden Oxidationsbereich Die REM Aufnahmen in Abb 7 7 zeigen die mittels PEC gewonnenen Mikrostrukturen in Aufsicht mit zunehmendem Aufl sungspotential 90 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Abb 7 7 Einflu des Aufl sungspotentials auf die Ausbildung und Form von whiskers anhand von REM Aufnahmen einer MOVPE n GaN Probe n 1 1x10 cm u 312 cm Vs a 1 0 VvsSCE b 0 8 VvsSCE c 0 6 VvsSCE d 0 4 VvsSCE e wie d jedoch nach einem HCl Dip und f 0 2 VvsSCE Bis auf die letzte Aufnahme mit einem Vergr erungsfaktor von 10000 sind in allen Fl chenausschnitten bei 50000facher Vergr erung bis zu mehrere hundert whiskers wieder gegeben Eine Ausz hlung der aufgrund ihrer Geometrie stark abstrahlenden und daher in den REM Aufnahmen markant hell erscheinenden whiskers ist m glich Eine f r diesen Zweck programmierte halbautomatische Bildverarbeitungssoftware erleichtert das Abz hlen von whiskers in REM Aufnahmen erheblich Gleichzeitig vermindert die M glichkeit zur Ver wendung gr erer Fl chenausschnitte statistische Fehler Ein entsprechender Bildausschnitt screen shot f r die angesprochene Windo
170. o tut dies auch der photogenerierte Strom welcher in der h chsten Beleuchtungsstufe selbst bei O V u erer Spannung einen niedrigen Wert von 100 pA bzw 100 nA cm ann mmt Bei hochohmigen Oxidfilmen ist jedoch kein derartiger Photoeffekt zu erkennen 10u Au s Dunkelstrom 1m a e bei Raumbeleuchtung i a 4 4 Mikroskopbeleuchtung Stufe 1 I L i y Mikroskopbeleuchtung Stufe 2 1001 Mikroskopbeleuchtung Stufe 3 O 10n 10 7 rt j 2 s YYVVY VV VV VVWyy F Foon Tn j OT ag ee Tu O 2 a Pee YY vv yy 2 lt lt 100p k ae AO w 100n 5 Br Aj pay a T 2 tone al Q 10p il Neat na ul i 1p 25 20 15 10 5 Spannung V Abb 8 6 Strom Spannungskennlinien einer niederohmigen GaN PEC MOS Struktur f r verschiede ne Wei licht Beleuchtungsstufen 115 Eigenschaften des PEC Oxids Zur Bestimmung des fl chen spezifischen Oxidwiderstands dient der IV Zweig der in Vor w rtsrichtung betriebenen MOS Diode positive Spannungen Die Berechnung erfolgt nach Korrektur des ermittelten Widerstands bei 2 V um den Bahn und Kontaktwiderstand 1 3 KQO Tabelle 8 1 bersicht ber elektrische Parameter von PEC generierten Oxidfilmen mit den ange gebenen Herstellungskonditionen und Dickenangaben Die Widerst nde sind in R ckw rtsrichtung 2 V und Vorw rtsrichtung 2 V neben dem spezifischen Widerstand angegeben der aus der Vorw rtskennlinie der MOS Diode bestimmt
171. ofiling Nach einer einmaligen Probenpr paration wird alternierend das chemisch inerte Nitrid unter Lichtanregung photoelektrochemisch in eine frei einzustellende Tiefe Wen ge tzt und anschlie end im unbeleuchteten Zustand eine CV Messung durchgef hrt Aus den so gewonnenen CV Daten kann nun tiefenaufgel st die Dotierstoffkonzentration bestimmt werden Die sukzessive tzung verlagert dabei die zu untersuchende Grenzschicht der Raumladungszone ins Innere der Halbleiterprobe die bliche Beschr nkung auf oberfl chennahe Bereiche entf llt Auch bei dem verwendeten Ger t Electrochemical Profiler PN4300 der F rma BIORAD kann in automatischen und individuell einstellbaren Schrittweiten zwischen Me und tzzyklen abgewechselt werden Bei einer MBE GaN Probe Gesamtdicke ca 540 nm wurde dies bis zu einer Atztiefe Wetch von ca 200 nm durchgef hrt Entlang der gesamten Scantiefe Wan Waon W wurde eine scan etch depl nahezu konstante aber hohe Dotierung von 2 bis 3x10 cm bestimmt wie sie sowohl an der Oberfl che als auch in vergleichenden Hall Messungen f r die nominell undotierte aber dennoch entartete MBE Probe ermittelt wurde Andere Beispiele der ECV Charakterisierung welche allesamt mit Hilfe der sog zyklischen Oxidation gewonnen wurden finden sich in gt Anhang E f Dies gilt f r Halbleiter mit vergleichsweise geringer Bandl cke etwa Si und GaAs Das ger teinterne Beleuchtungssystem Halogenlampe mit einer
172. omen beruht auf der Eingrabung der Kontakte m Fall der PEC MOS HFETs Die verwendeten Ti Al Kontakte werden nach ffnung des PEC Oxids an den Stellen an welchen der Photolack durch das Entwicklerbad entfernt ist aufge 136 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs bracht In diesen Teilgebieten werden aber durch den alkalischen Entwickler die oxidierten obersten AlGaN Atomlagen einige Nanometer ebenfalls weggenommen Damit kommen die Metallkontakte in diesem Fall gegen ber dem HFET n her am 2DEG zu liegen und es verringert sich der Ubergangswiderstand in der nominell undotierten AlGaN Schicht Auch wenn es sich hier wie aus eigenen CV Untersuchungen hervorgeht um eine relativ hoch dotierte 10 cm AlGaN Deckschicht handelt ist der Effekt dennoch erkennbar Auch die Arbeiten von J A Bardwell legen nahe dal sich die Kontaktwiderst nde f r undotierte und modulationsdotierte AlGaN GaN HFETs unter Zuhilfenahme des photounterst tzten nafiche mischen Atzens selbst auf niedrigem Niveau R 1 2 Qmm noch um gut 40 verbessern lassen 127 Eine entsprechende Trocken tzung vermag dies nicht Bardwells Daten zufolge wachsen die Kontaktwiderst nde in derart prozessierten HFETs sogar um den Faktor 2 bis 32 an 9 2 2 PEC MOS HFETs als Hochleistungsbauelemente Da n der neu entwickelten Technologie auch Hochvolt bzw Hochleistungsbauelemente realisierbar sind zeigt das in Abb 9 7 wiedergegebene Ken
173. on spontane Polarisation piezoelektrische Polarisation photocurrent quantum yield Photonenstromdichte Schottky Barrierenh he Ladung Ladung innerhalb der Helmholtz Schicht Ladung innerhalb der Raumladungszone space charge tzrate Widerstand Proben Volumenwiderstand normierter Kontaktwiderstand Drain und Source Widerstand Widerstand des Elektrolyten Faraday Widerstand Fl chenwiderstand sheet resistance Shunt Widerstand Raumladungsdichte spezifischer Kontaktwiderstand spezifische Dichte von GaN 1X O Osp Opiezo Vsat AV Vas Veg Vi Vos Vu V photo V Redox V sc Vin W Waepl Wetch W scan Grenzflachenladungsdichte Anteil der Grenzflachenladungsdichte aus der spontanen bzw piezoel Polarisation Zeitkoordinate Braggwinkel absolute Temperatur L cher Lebensdauer interner Parameter Elektronen S ttigungsgeschwindigkeit gate voltage swing Drain Source Spannung Potential des Gleichgewichtzustands Flachbandspannung Gate Source Spannung Potentialdifferenz innerhalb der Helmholtz Schicht Photo Spannung Redox Potential Potentialdifferenz innerhalb der Raumladungszone Einsatzspannung threshold voltage Gesamttiefe Weite der Verarmungszone depletion zone Atztiefe Scantiefe Molanteil Ortskoordinate Valenz ID 2DEG AES AFM CL CV DC ECV EPD GR HBT HEMT HFET HVPE IV LED LfI MBE MIS MODFET MOS MOSFET MOVPE NHE OPAmp PEC PECVD REM rms RTA SCE
174. on Loch Paargeneration v a Photonenabsorption und somit auch kein photoelektrochemisch bedingter Materialabtrag statt Die Kantensteilheit st somit gegeben durch den lokalen Einfallswinkel des UV Lichts 16 PEC Atzen im reaktionslimitierten Regime Der verwendete HeCd Laser st daf r geeignet ein vertikal abfallendes Profil zu generieren Die Streifen am Kanten bergang zwischen dem mit Titan maskiertem Material und dem tzgrund sind vermutlich auf die ebenfalls vertikal im GaN verlaufenden Versetzungslinien zur ckzuf hren Es wurde von Stocker 68 angeregt diese relat v rauhe PEC generierte Flan ke welche etwa bei einer horizontal emittierenden Laser Streifenstruktur als Spiegelfl che dienen soll durch kristallographische tzung in geschmolzenen Alkali Hydroxiden bis zu einer quas perfekten Oberfl che zu verbessern Das gew nschte Reflexionsverm gen wird dann maximal 69 70 Das gl ttende Verhalten von Alkali Hydroxiden wurde in eigenen Experimenten bereits bei geringen Temperaturen ca 80 C und in w r gen L sungen beo bachtet Die Wachstumsoberfl che 0001 von Ga polarem Material verh lt sich dabei resi stent und eine Maskierung ist nicht zwingend notwendig Wegen den aber stets vorhandenen Defekten sollte auf eine Schutzmaske jedoch nicht verzichtet werden Andere Kristallober fl chen als die 0001 Fl che werden dazu mit hoher Selektivit t ge tzt 68 x10000 49 Abb 6 3 REM Schr gansicht e
175. orangegangenen Be leuchtungsabschnitt generierten Oxidfilms Der verwendete Elektrolyt ist eine w rige 0 1 m KOH 0 1 m EDTA Ethylendiamintetraacetat S ure L sung pH 12 7 Typisch diffusionslimitiertes tzen liegt in diesem Fall nicht vor Das geringe Niveau des Photo stroms ist somit nicht bedingt durch Diffusionseffekte innerhalb des Elektrolyten sondern vielmehr durch die Pass vierung der Oberfl che Die Zeitkonstanten der Oxidbildung Abfall des Photostroms und Ox daufl sung Herstellung des Niveaus im direkt nach der Beleuchtung einsetzenden Photostrom analog dem ersten nativen Zyklus sind dementsprechend l nger bzw k rzer als in Elektrolyten mit niedrigerem pH Wert aber f r die bes sere Darstellung durchaus gewollt 101 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation W hrend f r den Fall einer Unterbrechung von 90 s sich das Photostrom Zeit Profil in der zweiten Oxidationsphase nahezu reproduziert sind bei den k rzeren Dunkelzeiten 10 und 30 s Abweichungen davon speziell n der Anfangsphase festzustellen Eine von der ersten Oxidationsphase verbleibende Restoxidschicht d mpft das Niveau des einsetzenden Photo stroms Bei der k rzesten Pause von 10 s ist dies besonders stark ausgepr gt F r eine Unter brechung von 90 s und mehr kann also von einer kompletten in situ Aufl sung des passivie renden Oxidfilms ausgegangen werden w hrend letztere f r die k rzeren Pausen 10 s und 30 s unvollst ndig
176. phologie u erst glatt mit state of the art Werten f r die erhaltene Rauhigkeit Im Anhang wird eine weiterentwickelte tztechnik die sog zyklische Oxida tion vorgestellt und auch auf p Typ Material bertragen In einem definierten bergangs bereich zwischen den beiden obigen tzregimes bilden sich am tzgrund nadelf rmige Gebilde hoher Dichte Dabei handelt es sich um unaufgel stes AlGaN Material welches Versetzungslinien umschlie t Ein Modell f r die Generierung von den sog whiskers wird entwickelt Innerhalb dieses Modells kann sowohl die Ausbildung als auch d e Gr e der Strukturen verstanden werden Ebenfalls erkl rt es das Verschwinden f r ein stark posi tives Aufl sungspotential Da sich jede Versetzungslinie in diesem defektsensitiven PEC Atzschritt in genau einem whisker rekonstruiert kann ihre Anzahldichte als material wissenschaftliche Kenngr e f r Ga und N polare Epitaxieschichten bestimmt werden Dies geschieht mit Hilfe von REM Analysen welche gleichzeitig eine dreidimensionale Vorstellung vom Fortschreiten der Versetzungen innerhalb der Schichten liefern und einer computerunterst tzten Abz hlroutine der markanten Strukturen e Charakterisierung des PEC Oxids im Hinblick auf MOS HFET Anwendungen Mit Hilfe von strukturellen REM und chemischen AES Analysemethoden wird die Existenz der oxidischen PEC Zwischenschicht best tigt und ihre Zusammensetzung zu Ga20 bestimmt Nach Herstellung einfacher MOS
177. r ger 5O nm hohen Bindungsenergien f r Exzi tonen 30 meV und der pr ferentiell vertikalen Ausrichtung der Versetzungslinien 29 30 Nichtsdestotrotz haben die vorhandenen Versetzungen noch dazu in solch hoher Anzahl sch dlichen Einflu etwa auf die Homogenit t der Lumineszenz 29 30 bzw eines photo elektrochemischen Atzabtrags Kapitel 6 3 und Kapitel 7 1 31 auf die Transportei genschaften von Ladungstr gern 32 33 34 und auf die Sperrstr me von in R ckw rtsrich tung betriebenen GaN Schottky Dioden 35 36 sowie die Lebensdauer von optoelektroni schen Bauelementen 29 Dazu st ren sie w hrend der Epitaxie das zweidimensionale Wachstum nachhaltig V defects beim MOVPE Wachstum von InGaN 37 38 forcieren lokal den Einbau von Fremdatomen und k nnen so tiefe St rstellen traps deep levels inner halb der Bandstruktur hervorrufen 39 40 20 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN Auch erscheint eine homogene thermische Trocken bzw Nab Oxidation technologisch bis lang nicht m glich da die Diffusion kleinerer Atome wie Sauerstoff an Versetzungen be schleunigt vor sich geht und dies zu einer rauhen und uneinheitlichen Oxidationsfront f hrt 41 21 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN 22 Polarisation Kapitel3 Polarisation Die hochsymmetrische Wurtzit Kristallstruktur der Gruppe III Nitride erlaubt die Existenz von spontaner Polarisation Der Tensor we
178. r gt Abb 3 2 erkennt man deut lich den Einflu der spontanen Polarisation welcher sogar gegen ber dem der piezoelek trischen Polarisation mit den verwendeten Literaturwerten leicht dominiert Es gilt Die Grenzflachenladungsdichte 6 nimmt streng monoton mit dem Aluminiumanteil x ansteigend stets positive und sehr hohe Werte bis maximal 0 101 C m bzw 6 33x10 e cm bei x 1 an E 01 5 FL Al Ga N GaN Ga f 8 0 09 Ga N GaN Ga face 2 a 0 08 2 O O 0 07 a Goo a5 5 e S 0 05 aonan S 0 04 Oez r i i 0 03 TE D Em 5 2 0 01 N 5 2 EZ 0 00 e Q 0 01 zs 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 2 Al Molanteil x Abb 3 2 Grenzfl chenladung an einer pseudomorph verspannten Al Ga N GaN Heterostruktur in Abh ngigkeit des Aluminium Molanteilsx Die gesamte polarisationsinduzierte Fl chenla dung Ogesam obere Kurve setzt sich als Summe aus einer linear ansteigenden Komponente O spontan mittlere Kurve und der leicht parabolischen Komponente Opie untere Kurve zusammen 30 Polarisation 3 4 Elektronendichte und Beweglichkeit Die oben theoretisch hergeleiteten Polarisationseffekte werden in AlGaN GaN Heterostruk turen als Basis f r eine Ausbildung von 2DEGs benutzt Im folgenden werden die Aus wirkungen auf die Gr e der Elektronendichte und die Lokalisierung der Elektronen in bezug auf den Grenz bergang diskutiert und Schlu folgerungen im Hinblick auf die Elektronen beweg
179. r Bestimmung der Dichte der Versetzungslinien und als Ma f r die Materialqualit t verschiedenster epitaktisch gewachsener Nitrid Schichten Beim bergang vom reaktions zum diffusionslimitierten photoelektrochemischen tzabtrag von GaN etabliert sich an der Grenzfl che eine neue Phase welche st6chiometrisch als Ga203 identifiziert wird Unter Einbeziehung dieses Oxidfilms l t sich die Oberflachenmorphologie von ge tzten Strukturen entscheidend verbessern Die Eignung der photoelektrochemisch generierten Oxidfilme als Dielektrikum n Feldeffekt Anwendungen zeigt sich anhand der erstmaligen elektrischen Charakterisierung von ent sprechenden MOS Strukturen Unter Verwendung von Wolfram als Gate Metallisierung k nnen diese nativen Oxidfilme erfolgreich in den Herstellungsablauf von konventionellen Heterostruktur Feldeffekttransistoren HFETs integriert werden Diese neuartigen Bauele mente HFETs mit dielektrisch isolierter Gate Elektrode MOS HFETs weisen m Transis torbetrieb hohe Drain Str me gt 500 mA mm und extrinsische bzw intrinsische Steilheiten von 62 bzw 142 mS mm auf Dabe sind sie sowohl f r einen Hochspannungs Vas 100 V als auch Hochtemperaturbetrieb T 300 C geeignet und extrem hochleistungsf hig P 12 5 W mm DC Weitere Bauelementkonzepte z B gate recess werden diskutiert und experimentell berpr ft Abschlie end wird ein tz bzw Oxidationsproze ohne die Verwendung externer Elektro
180. r Kapazit t der Raumladungs Zone Cs gleichgesetzt werden Es sei darauf hingewiesen dal die Weiten der Raumladungs und Helmholtz Zone in Abb 4 1 nicht ma stabsgetreu gezeichnet sind sondern da sie und auch die verbundenen Kapazit ten sich typischerweise um mehrere Gr enordnungen unterscheiden Nach Berechnung der Verarmungsweite Waep unter Zuhilfenahme der Pois son Gleichung zweimalige Integration entlang der Ortskoordinaten und der Fermi Statistik 40 Photoelektrochemie von AlGaN Al E depl 4 7 SC e Zee ergibt sich die Kapazit t C f r einen homogen dotierten n Halbleiter mit einer Donatoren dichte Np zu 1 d dW e e N 2 c Den lea on yo p 4 8 dV dv V 2 e SC 4 1 2 Bei Anlegung einer externen Spannung Bei Anlegung einer u eren Spannung ver ndert sich sowohl im Halbleiter als auch im Elektrolyten gem dQ dQ siehe Ersatzschaltbild in gt Abb 4 1 die Ladungsvertei lung Damit ist die Spannungsverteilung gem den Gleichungen 4 3 und 4 5 umge kehrt proportional zu ihren Kapazit ten und die gesamte u ere Spannung f llt dann ideali siert innerhalb des Halbleiters ab da C gt gt C Dies ist in Analogie zu einem asymme trischen p n Ubergang in der sog depletion N herung Der Fall bei dem die Bandkrimmung an der Grenzfl che gerade verschwindet V 0 wird Flachbandfall genannt und die an der Elektrode anliegende Spannung Fla
181. r PEC Oxida tion in welchen der Proze noch reaktionslimitiert ist gt Kap PEC Oxidation und sich ber dem Gruppe UI Nitrid noch keine geschlossene Oxidschicht ausgebildet hat Der lokale pH Wert bzw das L slichkeitsprodukt 126 l t eine geringe Atzung Oxidation amp Oxid aufl sung des Gruppe III Nitrids zu Bei einer Gate Spannung V von 1 V sind die Drain Str me f r beide FET Typen ver gleichbar gro gt 300 mA mm Der PEC MOS HFET besitzt hingegen noch deutlich Aus steuerungspotential zu positiveren Gate Spannungen hin wie aus dem Vergleich der jeweili gen Steilheit hervorgeht W hrend die Steilheit des konventionellen HFETs kleiner ist Sm ex 42 mS mm und f r positive Gate Spannungen verschwindet liegt die Steilheit des PEC MOS HFETs bei der Kniespannung Va 8 V ann hernd symmetrisch um V 0 V Abb 9 5 F r die Hochvoltbelastung Vas 20 V erweitert sich die Ansteuerbarkeit bis ber 6 V f r V s Ebenso f llt f r PEC MOS HFETs im Vergleich zu den gew hnlichen HFETs Vin 9 5 V eine deutliche Verschiebung der Schwellspannung zu positiven Werten hin auf hier Vi 3 8 V Eine Diskussion erfolgt sp ter im Zusammenhang mit dem Hoch Temperaturverhalten Kapitel 9 2 3 In vielen F llen ist im Triodenbetrieb f r die PEC MOS HFETs trotz identischer Kontakt technologie und Trans storlayouts ein geringerer Widerstand also auch ein geringerer Kon taktwiderstand festzustellen Dieses Ph n
182. r die ausged nnte Alo gt zGao sN Deckschicht ergeben sich auch ver nderte quanti sierte Energie Eigenwerte f r das 2DEG in bezug auf das Fermienergie Niveau 0 eV Sie sind im Vergleich zu denen der urspriinglichen Heterostruktur angehoben In dem exemplarisch genannten Beispiel 10 nm zu 30 nm Alo gt zGao sN Deckschichtdichte ergeben 139 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs sich die Grundzustandsenergien bei Raumtemperatur 300K von 52 meV MOS HFET gegen ber 85 meV HFET bzw 26 meV gegen ber 65 meV bei 300 C 573K Eine thermische Aktivierung bei 300 C ist kT 49 meV der lokalisierten hoch beweglichen 2DEG Elektronen im Fall des PEC MOS HFETs ist somit leicht m glich Dies verursacht die geringeren experimentell beobachteten Kanalstr me F r den Schottky HFET ist dieser Effekt bis hin zu einer Temperatur von 300 C noch nicht dominant wie unmittelbar aus der nahezu gleichbleibenden Schwellspannung Vij abzuleiten ist Die Steuerung der 2DEG Fl chenladungsdichte n erfolgt innerhalb des sog gate voltage swing s AV Vol gilt f r den HFET ber die Gate Kapazitat C Sind die Elektronen teilweise wie im Fall der PEC MOS HFETs bei hohen Temperaturen bereits thermisch aktiviert und nicht mehr am AlGaN GaN Hetero bergang lokalisiert so st ihre Abnahme direkt aus dem Zusammenhang n C AV 9 3 zu erkennen Das Zur ckfallen der maximalen Drain Str me Igmax f r PEC MOS HFETs mit
183. r inversionssymmetrisch ist und eine Ausbildung einer polaren Achse nicht zul t Die spontane Polarisation von AIN W er reicht mit P m 0 081C m den h chsten Wert der bislang f r eine bin re Verbindung bekannt ist zum Vergleich ZnO bzw BeO mit jeweils P_ 0 05 C m Tabelle 3 2 und sp ist damit nur um den Faktor 3 bis 4 kleiner als bei den ferroelektrischen Perowskiten z B BaTiO Tabelle 3 1 Gitterkonstanten und Bindungsl ngen der Gruppe III Nitride 4 982 Tabelle 3 2 Zahlenwerte der spontanen Polarisation und piezoelektrischen Konstanten f r Gruppe III Nitride und Gruppe II Oxide im Vergleich zu konventionellen III V Halbleitern 43 und elastischen Konstanten welche nach dem sog PWPP plane wave pseudopotential Ansatz berechnet wurden 44 Psp 33 e31 C13 C33 GPa _ Gs C m C m2 C m2 C m2 GPa ae Ga AINW 0 081 146 0 60 108 373 102 0 001 001 GaAs ZB 0 0 12 006 0 0 0 01 25 Polarisation 3 2 Piezoelektrische Polarisation Die spontane Polarisation der Nitride ist stets vorhanden und resultiert aus der Abweichung des realen Kristalls von der dealen Wurtzit Kristallstruktur Durch Aus bung eines u eren Drucks und einer daraus hervorgehenden Verspannung Hooke sches Gesetz kann diese Abweichung und die damit verbundene Gesamtpolarisation verst rkt bzw abgeschw cht wer den Die Gesamtpolarisation P setzt sich also
184. raul Smooth GaN surfaces by photoinduced electro chemical etching Mater Sci Eng B 59 350 1999 pers nliche Mitteilung von V Schwegler Abt Optoelektronik Universit t Ulm F Fedler J Stemmer R J Hauernstein T Rotter A M Sanchez A Ponce S I Molina D Mistele H Klausing O Semchinova J Aderhold and J Graul Effect of High Temperature Single and Multiple AIN Intermediate Layers on N polar and Ga polar GaN Grown by Molecular Beam Epitaxy Mat Res Soc Symp Proc 693 1 3 34 1 6 2002 J L Weyher F D Tichelaar H W Zandbergen L Macht and P R Hageman Selective photoetching and transmission electron microscopy studies of defects in heteroepitaxial GaN J Appl Phys 90 6105 2001 A Pelzmann M Mayer C Kirchner D Sowada T Rotter M Kamp K J Ebeling S Christiansen M Albrecht H P Strunk B Holl nder and S Mantl Determination of the dislocation densities in GaN on c oriented sapphire MRS Internet J Nitride Semicond Res 1 40 1996 F Huet M A di Forte Poisson A Romann M Tordjman J di Persio and B Pecz Modelling of the defect structure in GaN MOCVD thin films by X ray diffraction Mat Sci Eng B 59 198 201 1999 P Visconti K M Jones M A Reshchikov R Cingolani H Morkog R J Molnar and D J Smith Defect investigation of GaN thin films etched by photo electrochemical and hot wet etching by atomic force and transmission electron microscopy
185. rch den Vergleich zwischen zwei modu lationsdotierten in ihrem Aufbau identischen AlGaN GaN MODFETs modulation doped FETs deutlich Die 30 nm dicke AlGaN Deckschicht auf undotiertem GaN Material ist dabei jeweils mit 3x10 cm homogen dotiert In einer Tiefe von 25 nm d h 5 nm entfernt vom eigentlichen Kanal ist zus tzlich eine extrem hohe und lokalisierte eine sog Dotierung von 3x10 cm eingef gt F r eine der beiden Strukturen werden die Polarisationseffekte virtuell 34 Polarisation ausgeschaltet In der entsprechenden 1D Simulation fehlt nun f r diese MODFET Struktur die polarisationsinduzierte Grenzfl chenladung 6 welche bei der anderen Struktur weiterhin implementiert bleibt Dadurch ist die erste in Analogie zu einer typischen klassischen AlGaAs GaAs MODFET Struktur zu sehen Ohne die hier bewu t eingef hrte Modulations Dotierung bildet sich am Grenz bergang einer solchen Struktur kein 2DEG aus Dies ist dort erst bei ausreichender Dotiermenge und gen gend gro em Leitungsbandoffset gew hrleistet Der enorme Unterschied in der sich ausbildenden 2DEG Fl chenladungsdichte n mit bzw ohne Grenzfl chenladung 2 0x10 cm bzw 1 8x10 cm Abb 3 5 verdeutlicht auf eindrucksvolle Weise den beraus positiven Effekt der Polarisation in nitridischen Hetero strukturen Gleichzeitig gilt f r die fiktiv klassische AlGaN GaN Struktur besitzt das 2DEG eine mit der Elektronenanzahl gewichtete mi
186. re Photostromdich te ist abh ngig von der Extraktion der L cher aus dem Volumenmaterial dem photocurrent quantum yield pqy welcher gem den Gleichungen 4 22 und 4 9 von der anliegenden Spannung bestimmt wird F r den abgebildeten Fall einer MOVPE n GaN Probe in H2SOs L sung 0 5 m pH 0 ist der Einsatzpunkt des Photostroms etwa 500 mV gegen ber dem Flachbandpotential 0 8 VvsSCE hier verschwindet gerade Waep und definitionsgem ist pqy 0 in anodischer Richtung verschoben Der Mechanismus der zu dieser leichten Ver schiebung f hrt wird n her in gt Kapitel 5 2 erl utert und diskutiert Der Photostrom nimmt mit ansteigender Spannung stetig zu und erreicht f r Spannungswerte gr er als 0 5 VvsSCE einen nahezu spannungsunabh ngigen S ttigungswert Dieses Strom Spannungsverhalten ist 53 Photoelektrochemie von AlGaN kennzeichnend f r ein reaktionslimitiertes tzregime in welchem der S ttigungswert im wesentlichen nur von der Intensit t der eingepr gten UV Strahlung bestimmt wird Zur Ein teilung bez glich eines reaktions oder diffusionslimitierten tzregimes wird auf Kapitel 7 verwiesen 2 0u 1 0u Strom A 0 0 1 0u 4 0 1 2 Spannung VvsSCE Abb 4 5 Strom Spannungs Kennlinie f r eine n GaN Elektrode im Dunklen durchgezogene Linie und bei schwacher UV Beleuchtung ca 1 mW cm gestrichelte Linie in 1 n H SO4 0 5 m Schwefel sdure pH 0 54 Photoelektroch
187. reatment Electrochem and Solid State Lett 3 87 89 2000 T G Zhu D J H Lambert B S Shelton M M Wong U Chowdhury and R D Dupuis High voltage mesa structure GaN Schottky rectifiers processed by dry and wet etching Appl Phys Lett 77 2918 2000 S Mohney and S D Wolter Oxidation and Metallization of Group III Nitrides for High Temperature Devices Meeting Abstracts of The Electrochemical Society 99 2 755 1999 S D Wolter J M DeLucca S E Mohney R S Kern and C P Kuo An investigation into the early stages of oxide growth on gallium nitride Thin Solid Films 371 153 2000 C B Vartuli S J Pearton C R Abernathy J D MacKenzie E S Lambers and J C Zolper High temperature surface degradation of II V nitrides J Vac Sci Technol B 14 3523 1996 R Therrien G Lucovsky and R F Davis Charge Redistribution at GaN Ga gt 20 Interfaces A Microscopic Mechanism for Low Defect Density Interfaces in Remote Plasma Processed MOS Devices Prepared on Polar GaN Faces phys stat sol a 176 793 1999 T Rotter D Mistele J Stemmer and J Aderhold Application of Photoelectrochemistry to GaN Meeting Abstracts of The Electrochemical Society 99 2 53 1999 T Rotter D Mistele J Stemmer F Fedler J Aderhold J Graul V Schwegler C Kirchner M Kamp and M Heuken Photoinduced oxide formation on n type GaN surfaces using alkaline solutions Appl Phys Lett 76 3923 2000
188. reite von 4 1 V besitzt Der Bereich der linearen Verst rkung erstreckt sich bei einer Drain Spannung Vas von 20 V auch weit in den positiven Halbraum f r die Gate Source Spannung Vgs bis ber 6 V hinein was bei Transistorstrukturen ohne dielektrische Gate Isolierung nicht m glich ist 70m 60m 50m E 40m WY 30m D 20m 10m Abb 9 5 Steuerkennlinie PEC MOS HFET f r eine Drain Source Spannung V 8V bzw 20V 134 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs Mit der Relation 26 Z aint En 9 2 8 m ext R c kann unter der Annahme R 1 2 R die intrinsische Steilheit gmin des Transistors sogar zu 142 mS mm bestimmt werden Die erzielten Kenndaten f r PEC MOS HFETs mit Gate L ngen von 2 um k nnen sich folglich bez glich den erzielten maximalen Drain Str men Igmax 540 bzw korrigiert um den parasit ren shunt 450 mA mm mit den erw hnten sub u 0 25 um auf derselbe MOVPE Probe gefertigten HFET Strukturen messen lassen 580 mA mm Und dies trotz der noch nicht optimierten Kontaktparameter inzwischen stark verbessert R 2 Qmm Anzumerken bleibt noch da die abgebildete Struktur in der Satti gung selbst bei einer Spannung Ves von 5 V an der Gate Elektrode einen spezifischen Gate Strom kleiner als 150 nA mm besitzt Bei negativer Gate Spannung bleiben die typischen Gate Strome I bei Drain Spannungen Vas bis zu 20 V unter der 1 nA mm Marke teilweise sogar noch deutlic
189. ren Aufschlu sowohl ber die Anzahl als auch die Art von Versetzungen geben Abb 7 4 REM Aufnahme mit Ans tzen von whiskers f r eine N polare MBE n GaN Probe Lfl Uni versit t Hannover unter Verwendung der simple wet etch Methode 0 1m KOH O 1 m K2S203 S0mW cm Diese Probe wurde unter Verwendung einer GaN Nukleationsschicht hergestellt Gerade f r den Zweck der whisker Generation mit dem Ziel der einfachen Bestimmung von der Anzahldichte D wurde die simple wet etch Methode von J Bardwell 79 80 und uns als eine Abwandlung des PEC Atzens untersucht 81 Mit Hilfe dieser Methode kann auf die Verwendung einer elektrochemischen Zelle bzw d e Kontaktierung der working GaN Elek trode mit der counter Pt Elektrode verzichtet werden was den experimentellen Ablauf weiter beschleunigt und vereinfacht Weitere Details zu dieser rad kal und photounterst tzten Art des na chemischen Atzens von Gruppe III Nitriden finden sich im Anhang C Bemerkenswert ist weiter da mittels PEC bzw simple wet etch Technik die Versetzungs dichte auch f r N polare Schichten Abb 7 4 bestimmt werden kann solche Strukturen werden bereits von verd nnten S uren bzw Basen bei geringer W rmezufuhr 80 C angegriffen 81 Der Atzverlauf erfolgt in diesem Fall kristallfl chenorientiert in REM Aufnahmen von N polarem Material sind dann typischerweise nur noch pyram denf rmige 87 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung
190. rhaltens der Diode Ihre Werte decken den Bereich von 10 bis 10 ab wobei eine Vielzahl von MOS Dioden im oberen Wertebereich liegen Die stark ausgepr gte Nichtlinearit t kommt durch die Ausbildung einer Raumladungszone in der unter dem PEC Oxid liegenden n GaN Schicht zustande 113 114 10n 10u a Tn I O lt u g 5 ja 100p 100n e O 7 E 5 oO o ES N il e ites ta Ri In 10n g i Va i Q ilata IM ll are 4 Poo 15 10 ee Abb 8 5 Strom Spannungskennlinie f r eine hochohmige PEC MOS Diode Konditionen f r die PEC Oxidation 60 min 0 2 VvsSCE 2x10 m KOH 200 mW cm 114 Eigenschaften des PEC Oxids F r stark niederohmige Oxidfilme ndert sich unter Beleuchtung durch eine Wei licht Mikroskoplampe das elektrische Verhalten der MOS Diode f r die R ckw rtsrichtung Die PEC Oxidfilme sind wie die epitaktischen GaN Schichten optisch transparent was aufgrund einer Bandl cke von 4 4 eV f r bulk Ga gt 0 100 zu erwarten ist Die schwachen UV Anteile in dem breitbandigen Spektrum der Lampe erzeugen somit bevorzugt Ladungstr gerpaare n dem Halbleitermaterial GaN mit der kleineren Bandl cke von 3 4 eV Ein Gro teil der anlie genden Spannung f llt ber die Raumladungszone innerhalb des n Halbleiters ab Ein feldin duzierter Transport der Ladungen ber das durchl ssige Oxid ist in Vorw rtsrichtung m g lich wie in Abb 8 6 gezeigt ist Steigt die Beleuchtungsst rke an s
191. robe Y445 Universit t Ulm Mit deutlichem Kontrast treten die whiskers hervor Die einheitlich hier ca 100 nm hohen Strukturen spiegeln den Verlauf der Versetzungslinien im abgetragenen GaN Material wider Ihre Spitze markiert die urspr ngliche Kristalloberfl che Teilweise bilden die whiskers Ketten aus was auf Korngrenzen hinweist i 00nm Y445 ee a Abb 7 10 REM Aufsicht von whiskers an derselben MOVPE Probe Deutlich ist jetzt die kristallo graphische Orientierung der Versetzungslinien in der Mitte und auch rechts zu erkennen Ihre Anzahldichte D l t sich aus dieser und anderen starmaps zu 8 340 3 10 cm bestimmen 94 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation x50000 SOC0Omm nu 13 Em m 54 AIXB c lt 1 3 gt UNI H LFI Abb 7 11 REM Schr gansicht von whiskers an einer MOVPE n GaN Probe D 5 5x1 0 cm berschreitet die L nge der diskret ausgebildeten feinen whiskers eine gewisse Gr e so brechen sie entweder ab und es verbleiben nur noch St mpfe oder sie biegen sich zu anderen benachbarten hin was durch eine starke Dipol Dipol Wechselwirkung zwischen ihnen erkl rt werden kann Dieses Ph nomen wird auch von Youtsey 31 beobachtet Lrm HUPE AL E3 1 gt Abb 7 12 REM Schr gansicht von stabileren whiskers welche generell bei negativeren Aufl sungs potentialen generiert werden Abb 7 7 Sie bilden f r die hier untersuchte HVPE Probe eine kor
192. sch dargestellt ist beinhaltet als Kernbausteine zwei Operationsverst rker OPAmp ICs OPAmplA und OPAmp2A Ihre Spannungsversorgung ber ein symmetrisches Netzteil 15 V 15 V wird lokal durch zus tzliche Kondensatoren 0 1 uF und I uF parallel nicht eingezeichnet stabilisiert Diese Funktion kann auch unmittelbar vom Semiconductor Parameter Analyzer mittels seinen zwei voneinander unabh ngigen VSUs voltage source units bernommen werden Zum Einsatz kommt jeweils ein OP177 Hochprazisions OPAmp von Analog Devices 133 Dieser Typ eines OPAmp s besitzt bei Raumtemperatur eine extrem geringe Offset spannung max 25 uV bei gleichzeitig hohem und linearem Open Loop Gain 12 V uV 157 Anhang R2 Ce TE IKT Jen Blekirochemische Zelle 100k y OPAMpIA OPAmp2A HP Semiconductor Parameter Analyzer HP41554 Abb B 1 Schematischer Aufbau und Beschaltung des Potentiostaten OPAmplIA wirkt als Spannungsfolger der Referenzelektrode mit sehr hoher Eingangsimpe danz gt 10 Q Die Differenz seines Ausgangssignals zur Sollspannung bereitgestellt z B durch die SMU1 wird am OPAmp2A integriert was zur Regelung der Gegenelektrode dient Da in der Schaltanordnung die Spannungsdifferenz bez glich der massenahen Arbeitselek trode ma geblich ist mu die Sollspannung mit umgekehrtem Vorzeichen eingegeben wer den Soll z B ein Aufl sungspotential von 0 5 VvsSCE eingestellt werden mu am Ausgang von SMUI
193. se Silan S H f r die n Do tierung und Bis cyclopentadienylmagnesium Cp2Mg f r die p Dotierung Um einen homo genen Abscheidungsproze zu gew hrleisten ist es notwendig in der Reaktionszone die Gas str me und Druckverh ltnisse zuverl ssig einstellen zu k nnen was enorme Anforderungen an das Reaktordesign stellt Auch n dem gegen ber dem MBE Proze Shutter Sequenzen zur Variation von Atomstrahlverh ltnissen relativ komplexen und nur mittelbar kontrollier baren MOVPE Proze ist es inzwischen gelungen qualitativ hochwertige und abrupte Heterostrukturen herzustellen d e den direkten Vergleich mit der MBE nicht zu scheuen brauchen Dabei finden in der Proze kammer prinzipiell stets mehrere Gasphasenreaktionen gleichzeitig statt teilweise sogar unter Einbindung der Tr gergase Eine direkte Kontrolle der Wachstumsoberfl che etwa via RHEED reflection high energy electron diffraction ist unter MOVPE Proze bedingungen meist nicht m glich An vielen Reaktorgeometrien sind 154 Anhang aber mittlerweise Reflexions und ellipsometrische Messungen in situ durchf hrbar Diese geben z B ber die Wachstumsgeschwindigkeit und die Oberfl chenrauhigkeit Aufschlu Im Gegensatz zur MOVPE verwendet die HVPE meist weder Tr gergase noch Metallorga nika Stattdessen werden vielfach die elementaren Gruppe III Metalle Ga Al oder In in vorgelagerten Kammern deponiert Nach Reaktion ca 850 C in einem HCl Gasstrom wer de
194. sen tlich sie ist nahezu konstant bei 9 5 V Im Gegensatz dazu wandert gleichm ig mit der ansteigenden Temperatur die Schwellspannung f r die untersuchten PEC MOS HFETs von 3 8 6 V 22 C auf 2 4 3 0 V 300 C Gleichzeitig reduziert sich der maximale Drain Strom um mehr als 60 auf nunmehr 120 mA mm V 1V Durch den sich ver ndernden Schwellspannungswert Va kann die durchschnittliche Steilheit der MOS HFETs ein ver gleichsweise hohes Niveau von 31 mS mm 54 des Werts bei Raumtemperatur halten Wie beim Vergleich der Kontaktwiderst nde bereits angedeutet werden bei der Herstellung von PEC MOS HFETs einige Atomlagen AlGaN entfernt Weiter wird durch den Oxida tionsprozeB selbst AlGaN Material chemisch in ein amorphes Oxid umgewandelt was zur D nnung der Barriereschicht f hrt Eine verringerte verbleibende AlGaN Deckschichtdicke d hat zum einen nat rlich den Vorteil einer erh hten Gate Kapazitat was sich positiv in einer h heren Steilheit auswirkt Zum anderen reduziert sich dadurch aber auch die Fl chenanzahl dichte n des 2DEGs Abb 3 4 In den PEC MOS HFETs steht somit prinzipiell eine geringere Fl chenladungsdichte n zur Verf gung als im Vergleichsfall des konventionellen HFETs Wird eine urspr nglich 30 nm dicke Alu zGao sN Deckschicht um 20 nm auf 10 nm ausged nnt reduziert sich nach eigenen Berechnungen n von 9 07x10 cm auf 5 97x10 cm was einem Minus von 34 ent spricht F
195. sgangskonzentrationen von KOH und K2S2Oxg findet sogar ein Umschwung des pH Wertes statt In den weiteren Atzexperimenten wurde deshalb die L sung 0 1 m KOH 0 1 m K2S2Os je weils nach 15 min durch unverbrauchte und unbestrahlte ersetzt In simple wet etch Experi menten mit der inerten Maske 35 nm TEOS SiO2 wurde z B die selektive tzung einer Si dotierten Deckschicht auf einer nominell undotierten GaN Schicht untersucht Laut Profilo metrie stoppt die tzung makroskopisch wie gew nscht auf der undotierten Schicht bei gleichzeitig glatter Oberfl chenmorphologie die auch in der REM Analyse best tigt wird Ebenfalls in REM Aufnahmen sind jedoch lokal starke Unter tzungen der UV transparenten Maske Abb C 3 erkennbar Daf r sind Kristalldefekte evtl auch Inversionsdom nen in der ansonsten Ga polaren MBE Schicht verantwortlich Letzteres wird durch die gebietswei se ganzheitliche tzung der undotierten Basisschicht mit kristallographischer Orientierung am tzkraterrand nahegelest ek Ye LOKU i i x10000 _ TTE 57 A384C_SONI LFI UNI H Abb C 3 REM Aufnahme zur lokalen Unterdtzung der inerten UV transparenten SiO2 Maske Die Maske ist hier der ca 2 um dicke unsch rfer und dunkler erscheinende Streifen in der Mitte der Auf nahme 163 Anhang Anhang D Por ses GaN Analog zu Si SiC und den III V Halbleitern GaAs GaP und InP kann auch GaN durch PEC tzung in eine por se Struktur bergef hrt wer
196. sich das Verh ltnis der beiden Kapazit ten f r die in Abb 8 7 dargestellte MOS Struktur zu C C 0 97 8 3 Damit kann die Flachbandspannung V direkt aus der CV Darstellung Abb 8 7 ent nommen werden Sie ist nahezu frequenzunabh ngig und liegt in guter bereinstimmung mit dem oben bestimmten Zahlenwert von 0 86 V aus der 1 C V Darstellung m Bereich um 1 0 V F r einen n Halbleiter st die Austrittsarbeit 6 direkt mit seiner Elektronenaffinit t X 4 1 eV f r GaN 117 ber N O Gan Ken t kT In 8 4 verkn pft wobei N die effektive Zustandsdichte des Leitungsbandes 2 27 m kT h 3 ist Bei einer Dotierung von 5x10 cm unterscheiden sich die beiden Energiegr en Austrittsarbeit Qo und Elektronenaffinit t Xow nur geringf gig Die theoretisch zu erwar tende Flachbandspannung V ergibt sich aus der Differenz zwischen Halbleiter und Me tallaustrittsarbeit von Titan 4 18 eV bzw Aluminium 4 1 eV 99 Die geringe Abwei chung der experimentell bestimmten Flachbandspannung zu positiven Werten ergibt f r die lokalisierte Oxidladungsdichte N fixed oxide charge density im Fall der PEC Oxidation einen Wert um 1 3x10 cm Auffallend ist hierbei das negative Vorzeichen Im direkten 119 Eigenschaften des PEC Oxids Vergleich zu unter Plasma Bedingungen oder per Elektronenstahlverdampfung deponiertem SiO2 Ne 2 5 8 9x10 cm bzw SiN Ne 6 5x10 cm
197. sis of dislocation scattering on electron mobility in GaN high electron mobility transistors J Appl Phys 93 10046 2003 R Oberhuber G Zandler and P Vogl Mobility of two dimensional electrons in AlGaN GaN modulation doped field effect transistors Appl Phys Lett 73 818 1998 O Ambacher B Foutz J Smart J R Shealy N G Weimann K Chu M Murphy A J Sierakowski W J Schaff L F Eastman R Dimitrov A Mitchell and M Stutzmann Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization in undoped and doped AlGaN GaN heterostructures J Appl Phys 87 334 2000 R Gaska J W Yang A Osinsky Q Chen and M A Khan A O Orlov G L Snider and M S Shur Electron transport in AlGaN GaN heterostructures grown on 6H SiC substrates Appl Phys Lett 72 707 1998 Yu V Pleskov and Yu Ya Gurevich Semiconductor Photoelectrochemistry Consultants Bureau New York and London 1986 J van de Lagemaat Electrochemistry of large bandgap chemically resistant semiconductors Dissertation Universit t Utrecht Niederlande 1998 H Gerischer Electron Transfer Kinetics of Redox Reactions at the Semiconductor Electrolyte Contact A New Approach J Phys Chem 95 1356 1359 1991 P H L Notten J E A M van den Meerakker and J J Kelly Etching of II V Semiconductors An Electrochemical Approach Elsevier Science Amsterdam 1991 A J Bard and L R Faul
198. st zustellen Die kritische Zeitkonstante betr gt dabei ca 40 bzw 55 m n 14 12 10 pH Wert CO s 0 1m KOH 0 1m K S O e 0 1m KOH 0 1m K S O nach N Sp lung 0 20 40 60 Zeit min Abb C 2 pH Verschiebung unter UV Bestrahlung bei unterschiedlichen Sauerstoffbelegungsgraden Der Gehalt des gel sten Sauerstoffs soll nach C 6 bei dem Umschwungmechanismus einen ma geblichen Einflu haben Um den Gehalt des gel sten Sauerstoffs in der Elektrolyt L sung drastisch zu minimieren wurde deshalb eine 0 1 m KOH 0 1 m K2S Og Ausgangsl sung zun chst f r 20 min einer N gt Sp lung unterzogen In der Abb C 2 ist das Zeitverhalten des pH Werts dieser gegen ber einer ungesp lten L sung aufgetragen Zu dem typischen Haltepunkt bei einem pH Wert um 7 der auch in anderen L sungen beobachtet gt Abb C 1 wird ist jetzt ein weiterer bei einem pH Wert um 10 auszumachen Es ist jedoch zweifelsfrei festzustellen da auch diese L sung umschl gt und nach 90 min einen sauren pH Endwert um 2 erreicht In beiden Versuchsreihen wurde gezeigt da a alkalische mit Peroxodisul 162 Anhang fationen versetzte L sungen unter UV Bestrahlung zeitlich instabil gegen ber der Reak tionsgleichung C 2 sind und b auch eine bestm gliche Sauerstoff Austreibung den parasi t ren Reaktionszweig gem den Gleichungen C 4 mit C 6 nicht verhindern kann Bei quimolaren Au
199. st der diffusionslimitierte Wert Ip auf einem nahezu konstanten Wert der Anfangswert der Stromtransienten Ir f llt jedoch nach etwa der H lfte der tzzeit 30 min erst relativ schwach und anschlie end rapide ab Inter pretiert werden kann dieses Verhalten mit dem Verschwinden der stromf hrenden Schicht bzw dem Anwachsen des Schichtwiderstands Tats chlich ist die urspr nglich 2 5 um dicke Schicht bereits nach knapp einer Stunde vollst ndig ge tzt Dies entspricht einer gemittelten tzrate von 2 8 um h was die zeitweise Existenz eines Oxidfilms an der Halbleiter Elektro lyt Grenzflache nicht verhindert Das dynamische Zusammenspiel von reaktionslimitiertem und diffusionslimitiertem Regime in dem neu entwickelten Verfahren der zyklischen Oxida tion besitzt die Vorteile beider hohe gleichbleibende Atzraten bei spiegelnd glatten Ober fl chen So unterscheiden sich die Oberfl chenmorphologien von ge tzten Fl chen im opti schen Mikroskop wie auch im REM kaum von denen unbehandelter Fl chen W hrend des in Abb E 5 dargestellten tzvorganges wurde jeweils nach jedem Atz bzw Oxidationsschritt und darauffolgender Aufl sung des Oxids die Donatorenkonzentration Np mittels CV Messung bestimmt Das f r diese mit Si dotierte Probe gewonnene Dotierstoff Profil ist in gt Abb E 6 wiedergegeben 1E 19 a I AU ee RR GE ES a DET a Ka m a Ba A A SP a ai PHA 1E 17 LI i 0 0 5 1 1 5 2 2 5 Tiefe um A
200. stele F Fedler H Klausing O K Semchinova J Stemmer J Aderhold J Graul K S R ver S Paprotta M Seyboth and V Schwegler Temperature Stable MOSFET Based on AlGaN GaN Heterostructures with Photo anodically Grown Gate Oxide Proceedings HITEN Ol High Temperature Electronics Network Conference Oslo June 2001 I Adesida General remarks on III V nitride etching in J H Edgar S Strite I Akasaki H Amano and C Wetzel Hrsg Properties Processing and Applications of Gallium Nitride and Related Semiconductors EMIS Datareviews Series No 23 Stevenage INSPEC 1999 W A Harrison Electronic structure and Properties of Solids Freeman San Francisco 1980 C B Vartuli S J Pearton C R Abernathy J D MacKenzie F Ren J C Zolper and R J Shul Wet chemical etching survey of III nitrides Solid State Electronics 41 1947 1997 O Breitsch del J T Hsieh B Kuhn F Scholz and H Schweizer Effect of Ar ion beam channeling on AlGaN GaN heterostructures during the ion beam etching process Appl Phys Lett 76 1899 2000 172 Literaturverzeichnis 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 C Y Fang W J Huang E Y Chang C F Lin and M S Feng Etching Damages on AlGaN GaN and InGaN Caused by Hybrid Inductively Coupled Plasma Etch and Photoenhanced Chemical Wet Etch by Schottky Contact Characterizations Jpn
201. t einem generell niedrigeren Kontaktwiderstand als auf AlGaN formieren lassen In einem recess Schritt werden dann im Gate Bereich diese st rende Hilfsschicht oder auch noch Teile des darunter liegendes AlGaN mittels PEC Oxidation zun chst oxidiert Das leicht l s liche Oxid wird anschlie end ex situ entfernt etwa in Minerals uren KOH Entwickler oder NHy S gt L sungen Die Steuerungseigenschaften des Transistors sollen damit verbes sert werden h here Steilheit gleichzeitig bietet der Proze eine M glichkeit zur Verrin gerung des Betrags der Schwellspannung Vin Die schematische Darstellung dieses Transistor typs findet sich in gt Abb 9 10 Zu bemerken ist da diese zus tzliche typischerweise 2 5 nm dicke GaN Schicht auch in konventionellen HFETs von Vorteil ist Wie in eigenen ID S mulationen gezeigt l t sich dadurch die effektive Schottky Barrierenh6he um ca 1 eV erh hen Hierf r sind Polarisa tionseffekte verantwortlich 26 107 129 144 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs ohmsche ohmsche Metallisierung Metallisierung Gate Metallisierung A RECOGE semi isolierendes GaN SIC GaN Saphir Abb 9 10 Schematischer Aufbau eines MOS HFETs mit gate recess und verbessertem ohmschen Kontaktverhalten Die mit Si dotierte GaN Deckschicht verringert den Kontaktwiderstand des Source und Drain Anschlusses Im Gate Bereich wird durch PEC Oxidation Atzung der Ga
202. t im Bereich von 0 3 bis 1 6 eV 54 Die Dichten f r die reduzierten Drea und oxidierten Zust nde Dox werden empirisch be schrieben durch normierte Gau verteilungen 1 E E i Digs Se CD A 4 13 Red O AnkTA Red O AKTA 43 Photoelektrochemie von AlGaN 2 eV Leitungsband gt Ferminiveau N 0 Dea Zustandsdichte D E er Energie eV vs SCE 3 n GaN Elektrode Elektrolyt Abb 4 2 B nder Modell f r eine n GaN Elektrode im Gleichgewicht mit einer alkalischen L sung pH 14 und einem Redox System gekennzeichnet durch Vregox 0 7 VvsSCE und A 0 4 V Die Kom ponenten des Redox Systems werden bez glich ihrer Energiewerte durch die Verteilungsfunktionen Dox und D a gt Gleichung 4 13 beschrieben Der funktionale Zusammenhang der Redox Energie Eredox f r den Fall von unterschiedlichen Konzentrationen von oxidierten und reduzierten Spezies Cox Cr findet sich in der sog Nernst schen Gleichung kT In S 4 14 C Red E Re dox E Re dox Die Angabe des Redox Potentials V Erax 9 Era erfolgt in Relation zu einem Referenzelektroden Potential Bekannt aus der Allgemeinen Chemie ist meist das Standard Normal Potential einer von Wasserstoff umsp lten Platinelektrode n einer L sung mit einem pH Wert von 0 NHE normal hydrogen electrode blicherweise erfolgt die Bezugnahme jedoch auf die sogenannte Kalomel Elektrode SCE saturated calomel electrode die in der
203. t mit dem des Elektrolyten berein Deswegen ist an der Grenzfl che beider eine Ladungs und Poten tialneuordnung erforderlich Es findet ein Elektronenaustausch ber die Grenzfl che statt bis sich im Gleichgewichtszustand die Ferminiveaus E beider Phasen nivelliert haben E F Halbleiter Ee Elektrolyt 4 1 Das Ferminiveau der fl ssigen Phase Ef Fiektoly entspricht dabei der Redox Energie Eredox welches vom jeweiligen Redox System innerhalb des Elektrolyten bestimmt ist Im nachfol genden wird zun chst die Ladungs und Potentialverteilung eines Systems mit einem n Halb leiter im Gleichgewicht und anschlie end bei Anlegung einer u eren Spannung entsprechend der Theorie eines Halbleiter Metall Kontakts genauer untersucht 31 Photoelektrochemie von AlGaN 4 1 1 Im Gleichgewicht Oben genannter Elektronenaustausch generiert n beiden Phasen elektrische Doppelschichten Wie in Abb 4 1 veranschaulicht wird ist dies im Halbraum des Halbleitermaterials eine Verarmungszone depletion layer von Majoritatsladungstragern hier Elektronen und im Halbraum des Elektrolyten die sog Helmholtz und Gouy Chapman Zone Die Verarmungs zone innerhalb des Halbleiters ist ein Gebiet in welchem die Konzentration der Elektronen n durch eine entsprechende Potentialdifferenz gegen ber dem Volumen bulk Wert nou gem der Boltzmann Statistik reduziert ist An der Oberfl che surface ist diese gerade bestimmt durch die Potentialdi
204. te Kontakt zum 2DEG hin verschoben und evtl durch ein verbleibendes PEC Oxid verst rkt 145 AlGaN GaN HFETs unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs 9 4 Vorversuche f r die Integration in eine industrielle Produktionslinie Bei den hier beschriebenen AlGaN GaN HFETs findet generell ein Ti1 Al Ti Au Metallisie rungsschema Verwendung Um die unedlen Metalle Titan und Aluminium w hrend des nab chemischen PEC Bades in der schwach alkalischen Oxidationsl sung 0 002 0 04 m KOH durch die abschlie ende Au Schicht vor Korrosion zu bewahren werden f r diese Versuche zum gate recessing d e ohmschen Kontakte zwar schon auf den HFET Strukturen mit GaN Deckschicht aufgebracht aber noch nicht legiert Nach dem Legierungsschritt w ren die Me tallkomponenten bereits miteinander vermengt Die Legierung erfolgt erst nach der Oxidation in einer mit Stickstoff N2 gesp lten RTA Kammer bei 850 C f r 120 s Ziel ist es einen Proze zu installieren der auch ohne den elektrochemischen Aufbau Zelle und Potentiostat durchf hrbar ist In einem solchen vereinfachten PEC Oxidationsproze werden dienen die aufgebrachten Kontakte als lokale Kathoden An den gro fl chigen ohm schen Au Kontakten erfolgt die zur Oxidation des Gruppe III Nitrid Materials parallel ver laufende Reduktion von Wasser zu Wasserstoff Redoxpotential ca 0 4 VvsSCE f r alkali sche Medien Eine elektrische Kontaktierung der Probe bzw anderen Elektroden entf llt
205. tem eV 10cm 10 V cm cm Vs do ew s emo SiOW Si_ 90 11 1 3 1400 10 AGaAsGaas 21 4 23 4 sso 10 053 a aar ee a Ba beim heteroepitaktischen Wachstum auf 4H SiC 12 Eigenschaften von epitaktisch gewachsenem AlGaN 2 1 3 Bindungskr fte Im Vergleich mit anderen Verbindungshalbleitern besitzen die Gruppe III Nitride sehr starke Bindungskr fte Dies ist auf den stark ionischen Charakter der Metall Ga Al In Stickstoff Bindung zur ckzuf hren So sind die Bindungsenergien mit 8 9eV Atom in GaN 11 5 eV Atom n AIN und 7 7 eV Atom n InN relat v hoch exemplarisch verglichen mit dem kovalent gebundenem GaAs das hier nur einen Wert von 6 5 eV Atom besitzt 17 18 Zusammen mit der gro en Bandl cke resultiert daraus eine grunds tzlich gro e mechanische Stabilit t und eine hohe chemische Inertheit gegen ber S uren und Basen bei Raumtem peratur die auch in vielen Arbeiten experimentell best tigt wurde 19 Um eine chemische tzung von AlGaN trotzdem zu initiieren und aufrechtzuerhalten st es somit unabdingbar einen angeregten Zustand der Oberfl che zu generieren durch Zufuhr einer gewissen Aktivierungsenergie Bei der normalerweise praktizierten trockenchemischen tzung wird diese Energie durch bertrag von Teilchen Ionen oder Elektronen mit Energien gt 50 eV bereitgestellt welche aber starke Sch digungen der Oberfl che und auch in darunterliegenden Kristallbereichen surfa
206. ternationaler Forschungs akt vit ten gewesen waren erfuhren sie Ende der 80er Jahre eine Renaissance 1988 gelang es Amano und Akasak durch nachtr gliche Aktivierung des Dotierstoffes Magnesium erstmals p GaN herzustellen 1 Damit war der Startschu gefallen f r ein globusumspannendes und intensives Bem hen um die Herstellung von extrem hellen LEDs sowie blauen und ultravioletten Laserdioden Gepr gt durch die herausragenden Arbeiten von Shuji Nakamura gelang Nichia Japan bereits 1993 die Entwicklung von 1 cd starken blauen LEDs basierend auf einer InGaN AlGaN Heterostruktur 2 Ebenfalls konnte S Nakamura 3 bereits Ende 1995 elektrostimulierte Emission nachweisen Blaue und violette Laserdioden sind schon heute vielfach in CD und DVD Ger ten der zweiten Generation integriert Im Vergleich zu einer herk mmlich verwendeten roten Laserdiode AlGalnAsP vermag eine blaue Einleitung AlGalnN durch ihre kleinere Wellenl nge das Aufl sungsverm gen in etwa zu verdoppeln und die Speicherdichte folglich zu vervierfachen Die Gruppe III Nitride sind weiterhin auch f r Hochfrequenz und Hochvoltanwendungen interessant Zwar ist die Elektronen Beweglichkeit lt 2000 cm Vs nicht so hoch wie in InGaAs bzw InP daher liegen derzeit praktizierte maximale Operationsfrequenzen im Bereich von ca 10 bis 20 GHz Jedoch besitzen sie entscheidende Vorteile welche sie fiir die H chstleistungsanwendung pr destinieren die hohe Bandliic
207. tial durchgef hrt Die Arbeitsweise und der prinzipielle elektrische Aufbau dieser selbst hergestellten Schaltung ist im Anhang B skizziert und erl utert 80 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Kapitel 7 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Unter Verwendung des Potentiostaten kann be Variation des pH Wertes des Elektrolyten die folgende bersicht gt Abb 7 1 von photoelektrochemischen Prozessen f r den alkalischen Bereich pH gt 11 erstellt werden Dabei sind in Abb 7 1 neben den Bereichen des oben diskutierten reaktionslimitierten tzens pH gt 13 der Oxidation und der whisker Generation folgende Orientierungshilfen eingebunden Die Flachbandspannung ist gem der Nernst schen Gleichung 4 15 linear mit dem pH Wert verbunden Die dazu parallel nach rechts verschobenen Bereiche des Einsatzpunktes des Photostroms onset of photocurrent OPC und des Nullstromdurchgangs point of zero current PZC sind nicht fix sondern variieren leicht in dem eingezeichneten Mabe Dies ist sowohl auf probenspezifische Eigenschaften Dotierung Oberflachenrekombi nationen als auch auf die verwendete UV Beleuchtungsst rke zur ckzuf hren Bei einem Aufl sungspotential kleiner als 1 5 VvsSCE ist an der Halbleiterelektrode mit zum Teil heftiger Gasentwicklung hier Wasserstoff zu rechnen ebenso f r Potentiale im positiven Halbraum jenseits der gekr mmten Kurve Gleichung 6 1 p
208. timmt 4 3 2 Photoanodische Zersetzung von GaN Die photoanodische Zersetzung von GaN l t sich zun chst vereinfacht darstellen als 58 2GaN 6h gt 2Ga N T 4 23 Die exakte chemische Natur der oxidierten Ga Spezies Ga ist abh ngig vom pH Wert Anhand der Gleichung 4 23 wird auch noch einmal deutlich da f r die photoelektro chemische tzung die Anzahl der L cher an der Grenzfl che eine entscheidende Rolle spielt Ohne UV Lichtanregung ist die Besetzung des Valenzbandes in n AlGaN nahezu vollst ndig und f r die anodische Oxidationsreaktion stehen zun chst keinerlei L cher an der Oberfl che zur Verf gung Wie Abb 4 5 wiedergibt ist der anodische Strom f r eine n GaN Elektro de in einer 1 normalen Schwefels ure L sung pH 0 0 5 m H gt SO und in Dunkelheit und selbst noch bei Raumlicht vernachl ssigbar gering Dies ist gleichbedeutend mit einer extrem geringen tzung bzw Oxidation des Materials Der kathodische Teilast f r Spannungen 32 Photoelektrochemie von AlGaN kleiner als 0 5 VvsSCE ist assoziiert mit der Reduktion von Wasser H2O unter Wasserstoff bildung und setzt in unmittelbarer N he zum Flachbandpotential V 0 8 VvsSCE ein ge m der gt Reaktionsgleichung 4 16 An dieser Reaktion sind ausschlie lich Elektronen des Leitungsbandes beteiligt Der Absolut wert des Stroms steigt sehr rasch gt Gleichung 4 18 mit negativer Spannung an Die asso zierte Wasserstoff
209. trom ber 3 Dekaden linear mit der Beleuchtungsst rke Photonenstromdichte zu Die Gesetzm igkeit ji P gilt f r die oberen 2 Beleuchtungsdekaden O lt D lt 2 mit m 1 0 innerhalb dieses Spannungsintervalls Bei sehr geringeren UV Beleuchtungsgraden lt 10 uW cm treten hingegen vermehrt Rauscheffekte in den Vordergrund so da diese Werte in der Evaluierung nicht ber cksichtigt wurden Dieses auch theoretisch zu erwartende Verhalten des n GaN Elektrolyt Grenz bergangs cha rakterisiert den Proze als ideal reaktionslimitiert Die Reaktionskinetik welche sich direkt im beobachtbaren Photostrom widerspiegelt wird ma geblich bestimmt vom Angebot der photogenerierten L cher an der Halbleiteroberflache Zahlreiche Experimente zeigen da dieses Verhalten auch im alkalischen pH Bereich bei unverd nnten Elektrolyten und geringer bis mittlerer Beleuchtungsst rke anzutreffen ist Beim bergang zu verd nnten alkalischen Elektrolyten wird dieses Verhalten zunehmend mehr von Diffusionseffekten bestimmt und deswegen als diffusionslimitiert bezeichnet was angewandt auf das Gruppe III Nitrid System sehr interessante und n tzliche Effekte liefert gt Kapitel 7 Die Spannung bzgl der Referenzelektrode SCE wird mit Hilfe eines Potentiostaten von negativen zu positiven Werten durchfahren Die Scanrate ist dabei 200 mV s 61 Photoelektrochemische Charakterisierung K Ei 0 0 S AA ALAA AAA Aa An AAA AA AA AA A Aa
210. ttlere Distanz von 4 0 nm und ein Maximum in der Elektronenkonzentration bei 1 8 nm 3 8x10 cm von der Heterogrenzfl che entfernt 8x10 6x10 4x10 2x10 Leitungsbandkannte bzgl Elektronenkonzentration cm 0 90 100 150 200 250 300 350 400 450 500 o Entfernung von der Oberfl che A Abb 3 5 Simulationsergebnisse zum rtlichen Verlauf der Leitungsbandkante und Elektronendichte innerhalb von zwei dotierten GaN Alo 3Gao N Heterostrukturen bei Raumtemperatur W hrend bei einer Struktur hier sind die Simulationsergebnisse durch hellere Linien widergegeben am Grenz bergang eine polarisationsbedingte Fl chenladungsdichte implementiert bleibt ist sie bei der anderen Simulation dunklere Linien nicht ber cksichtigt Die Fl chenladungsdichte n ist damit 1 97x10 cm bzw 1 79x10 cm unter Ber cksichtigung bzw Vernachl ssigung von Polarisations effekten 35 Polarisation Bei der realen AlGaN GaN Struktur eingeschaltete Polarisationseffekte mit ihrer mehr als 1Ofachen Fl chenladungsdichte n sind diese Werte mit 1 2 nm 7 9x10 cm bzw 0 5 nm deutlich zum Grenz bergang bei jeweils exakt 30 nm AlGaN Deckschichtdicke hin versetzt Die Lokalisierung h ngt somit in starker Weise von der Gesamtanzahl der Kanalelektronen ab Erg nzend die Zahlenwerte f r die obige undotierte Alg3Gao7N 30 nm GaN Struktur ns 1 47x10 cm Dort ist der Ladungsschwerpunkt 1 6 nm und das
211. u sammen mit der gt Gleichung 3 4 als a a C er 2 gt TE 7 3 6 Obwohl bei den Werten fiir die elastischen Konstanten eine erhebliche Streuung der Literatur werte existiert 13 44 bleibt auf der rechten Seite von gt Gleichung 3 6 der Klammeraus druck f r das gesamte AlGaN System stets kleiner als Null Damit ist die piezoelektrische Komponente der Polarisation f r biaxial tensile Verspannung a a gt 0 ebenso wie die spontane Polarisation negativ Bei biaxial Kompressiver Verspannung a a lt 0 ist sie posi tiv und damit entgegen der spontanen Polarisation gerichtet antiparallel In Tabelle 3 2 sind die Werte f r die elastischen und piezoelektrischen Konstanten f r di verse bin re Verbindungshalbleiter aufgef hrt Die Werte f r tern re Verbindungen werden in erster N herung durch lineare Interpolation gewonnen Erneut erkennt man da sich die Gruppe III Nitride hnlich ZnO verhalten und sich deutlich von den anderen kubischen II V Halbleitern unterscheiden Die absoluten Werte der piezoelektrischen Konstanten f r das Ma terialsystem der Gruppe II Nitride sind sehr gro zum Teil mehr als 10mal so gro im Ver gleich zu GaAs InAs oder GaP 21 Polarisation 3 3 AlGaN GaN Heterostrukturen An einem abrupten Grenz bergang AlxGa N Al Ga N mit x y ndert sich die Polarisation P innerhalb einer diatomaren Monolage bilayer Daraus resultiert gem der Maxwell schen G
212. ung RIE in BCh SiCL zumindest ebenb rtig wenn nicht gar berlegen st 91 Anhand dieses bersetzten Zitats aus 90 und der in Abb 7 1 zusammengefa ten eigenen Erfahrungen f r PEC Prozesse mit alkalischen Elektrolyten wird klar da der Be reich der whisker Generation nicht scharf getrennt von dem der im kommenden Abschnitt be handelten PEC Oxidation ist Die beiden Bereiche berlappen sich in der Auftragung gegen ber pH Wert und angelegter Spannung bzw gehen unmittelbar ineinander ber 98 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation 7 2 PEC Oxidation In einer trockenen Sauerstoff Atmosph re oxidiert GaN bei 900 C mit relativ geringer Rate 20 nm h 92 93 Bei diesen Temperaturen und nicht allzu gro em N gt Partialdruck setzt aber bereits der thermisch bedingte Zerfall des Nitrids ein 94 Die resultierenden Oxidfilme sind keineswegs homogen sondern die Oxidation des Halbleiters findet pr ferentiell an den Durchsto punkten von Versetzungslinien zur Oberfl che statt Gleichfalls resultiert die Her stellung von Si02 GaN Strukturen via direkter Deposition in einer hohen Grenzfl chen St r stellendichte interface trap density gt 10 cm Eine mittels Sauerstoff Plasma generierte Galliumoxid Ga2O3 Zwischenschicht intermediate layer kann letztere um mehr als eine Gr enordnung reduzieren 95 Die Konvertierung eines zugrundeliegenden Nitrids in sein korrespondierendes Oxid bei ger
213. ung der PEC Oxid Schichtdicke geben zu k nnen Durch Vergleiche anhand dickerer Oxidfilme entsprechen die Farbcodes der PEC Oxidfilme in etwa denen von SiNq Dies ist konsistent mit der Angabe des Brechungsindizes n 1 9 f r bulk Ga203 100 bzw n 1 8 f r anodische Oxide auf GaAs 101 Eine zuverl ssigere aber destruktive Methode zur Schichtdicken Bestimmung ist die AES Tiefenprofilometrie gt Kapitel 8 1 W hrend d nne PEC Oxidfilme glatt und homogen erscheinen ist f r dickere PEC Oxidfilme sog microcracking erkennbar Darunter ist das vermutlich stre bedingte Aufbrechen der bis zu einer Oxiddicke von ca 0 4 um geschlossen aufwachsenden Schicht in kleinere Mikro platten zu verstehen Dieses Ph nomen ist bereits im Lichtmikroskop sichtbar und wird durch die REM Aufnahmen in Abb 7 18 belegt Auch Peng berichtet von microcracking bei dickeren in verd nnter Phosphors ure pH 3 5 PEC oxidierten n GaN Schichten 102 Auch in der Wachstumskinetik ist der PEC Proze vergleichbar mit der thermischen Oxida tion von Silizium Das PEC Oxid von GaN w chst anf nglich mit einer relativ hohen Rate von bis zu 250 nm in einer Stunde 2x10 m KOH 0 VvsSCE Nach einer Stunde hat sich der Oxid Nitrid Grenziibergang hingegen nur ca 45 nm in die urspr nglich nitridische Epita xieschicht vergraben Zun chst startet das Wachstum des Oxidfilms auf dem darunterliegen den n GaN linear Unter diesen Proze bedingungen erfolgt zwar eine Oxid
214. unkelstrom meist vernachl ssigbar klein da im Fall der Verarmung der berlapp von Zust nden auf beiden Seiten der Grenzfl che sehr gering st Reaktionen mit dem Valenzband k nnen wegen mangelnder L cheranzahl und stark unterdr ckter L chergeneration nicht stattfinden siehe nachfolgende Diskussion 48 Photoelektrochemie von AlGaN 4 3 Photoelektrochemische Oxidation und tzung Anionen wie die OH Ionen in alkalischen Elektrolyten k nnen leicht an der Halbleiter Oberfl che adsorbiert werden wenn dort unges ttigte Bindungen vorhanden sind Dann sind lokal an der Oberfl che die B nder der Halbleiters verbogen und die Anzahl der L cher ist erh ht Bei geeignetem Reaktionspartner kommt es zur anodischen Oxidation des Halbleiters einer notwendigen Teilreaktion bei der elektrochemischen tzung 4 3 1 Anregung des Halbleiters durch UV Bestrahlung Die zur anodischen Zersetzung notwendigen L cher an der Oberfl che k nnen durch folgende Mechanismen bereitgestellt bzw erzeugt werden e thermische Generation e Generation an oberfl chennahen Defekten denen lokalisierte Energieniveaus innerhalb der Bandl cke zugeordnet sind e Lawinendurchbruchs Multiplikation oder e Interband Paar Generation durch geeignete Bestrahlung Die verwendeten w r gen Elektrolyten besitzen eine Temperatur nahe der Raumtemperatur Damit sind in AlGaN einem Halbleitermaterial mit gro er Bandl ckenenergie E die Mecha nism
215. unter Verwendung von PEC Oxiden MOS HFETs Das von ihr emittierte Licht wird ber einen UV geeigneten Lichtwellenleiter Lumatec Serie 300 und UV Fokussieraufsatz gleichm ig in die elektrochemische Zelle eingekoppelt Ihr breitbandiges Spektrum mit den charakteristischen Hg Linien umfa t im wesentlichen den Bereich A 300 450 nm Abb 9 2 Bereits im Lampengeh use werden die anderen sicht baren und infraroten Anteile des Spektrums durch einen entsprechenden Filter absorbiert In der Zelle w rden diese sonst die wabrige Elektrolyt L sung unn tig erw rmen und so zus tz liche Konvektion bewirken was f r den PEC Oxidationsproze unerw nscht ist Photonen mit Wellenl ngen kleiner als 300 nm werden hingegen im Fl ss glichtleiter absorbiert Die f r Quecksilber charakteristischen Linien g h und Linie usw treten in Abb 9 2 in tensiv hervor Die maximal erreichbare UV Intensit t von mehr als 200 mW cm gemessen bei 365 nm 1 Linie kann durch eine im Lampengeh use angebrachte s chelf rmige Apertur stufenlos reguliert werden ohne dabei das homogene UV Intensit tsprofil am Probenort zu ver ndern Bei Verwendung der neuen Beleuchtungsquelle lassen sich die der PEC Oxidation zugrunde liegenden in Abschnitt 7 2 1 beschriebenen Reaktionsmechanismen ohne weitere Ein schr nkungen auf tern re Al Ga N Verbindungen mit x lt 0 4 bertragen Experimentell ist der Oxidationsverlauf fiir eine AlGaN Epitaxies
216. unterbunden da die L cher als notwendige Reaktionsteilnehmer Gleichung 6 1 stark reduziert sind Das ungest rte Halbleitermaterial zwischen den Versetzungslinien wird hin gegen selektiv gegen ber dem Material an einer Versetzungslinie ge tzt und ein whisker ent steht Abb 7 6 In hochaufl senden TEM Untersuchungen konnte so in der Mitte von ausgepr gten whiskers jeweils der Verlauf einer Versetzungslinie nachgewiesen werden 31 Dieses Verhalten steht im krassen Gegensatz zum orthodoxen Verst ndnis von defektdeko rierendem tzen in welchem der Defekt selbst wie etwa der Oberfl chen Durchsto punkt einer Versetzungslinie einer ausgew hlten chemisch aggressiven L sung Angriffsflache f r eine lokale Zersetzung des Materials bietet 89 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation gt 20 nm _ I effektiver Bereich als L chersenke Elektrolyt Elektrolyt Raumladungszone Raumladungszone Diffusionszone i i Diffusionszone GaN u Versetzungslinie Abb 7 6 Modell zur Generierung von whiskers Lokal um eine Versetzungslinie wirkt das Feld der lokalisierten Akzeptor hnlichen negativ geladenen Zust nde entgegen dem der Raumladungszone des n GaN Elektrolyt Grenziibergangs Ein PEC Atzabtrag findet nur in dem Bereich zwischen den Versetzungslinien statt Die Annahme der elektrischen Aktivit t der Versetzungslinien wird durch folgende Versuchs reihe gest tzt Bei anso
217. v HFET PEC MOS HFET A tandem 10n w MIS HFET org MIS HFET BHF 4 MIS HFET NH4 A g reverse O oa ae 100p a 7 a Zeit auf hoher Temperatur gt 16h TE 10p Ip RT 80 150 225 300 300 RT Temperatur C Abb 9 8 Gemittelte Gate Str me verschiedener Transistortypen fiir eine Temperaturrampe startend bei Raumtemperatur RT bis 300 C und zur ck zur Raumtemperatur Neben den schon bekannten PEC MOS HFETs wurden in einer separaten Versuchsreihe PEC Oxidfilme zus tzlich mit einer 19 nm dicken TEOS Tetraethylorthosilicat S102 Schicht bei 350 C im PECVD plama enhanced chemical vapour deposition Verfahren be schichtet Der Zweck dieser Tandem Beschichtung ist der folgende zum Gruppe UI Nitrid hin sollen weiterhin die guten Grenzfl chen Eigenschaften des PEC Oxids zur Verf gung ste hen welche durch eine h here Durchbruchfestigkeit 9 5 MV cm f r auf Si abgeschiedenes TEOS S1 O gt 128 des dar ber abgeschiedenen Siliziumdioxids sinnvoll erg nzt werden F r beide MOS HFET Typen s nd die Gate Str me deutlich minimiert gegen ber denen von gew hnlich prozessierten HFETs Abb 9 8 So sind bei jeder untersuchten Temperatur bereits f r die einfachen PEC MOS HFETs die Gate Str me um mindestens 3 Gr enord nungen reduziert Im Fall der Tandem verst rkten MOS HFETs liegen sogar typischerweise 5 Gr enordnungen dazwischen Der
218. von whiskers Whiskers treten experimentell innerhalb eng bemessener Bedingungen Abb 7 1 auf Zun chst traten die spektakul ren Atzbilder in den Randgebieten von ge tztem Material zu Maskierungen hin auf beim bergang von reaktionslimitiertem hoher pH Wert zum diffusionslimitierten tzen niedriger pH Wert 71 Youtsey ver ffentliche eine detaillierte Beschreibung dieser tzfiguren dazu 1998 31 Die Maskengeometrie hat dabei besonderen Einflu auf die Auspr gung dieser Nanostrukturen Abb 7 3 W hrend weit entfernt von der 0 1 um dicken Ti Metallmaske die Bereiche des Nitrid Materials relat v glatt ge tzt wer den 31 71 sind die angrenzenden Teilbereiche mit diesen Nanostrukturen reich dekoriert speziell in den Einbuchtungen in welchen lokal das Verh ltnis von maskierter zu unmaskier ter Probenfl che besonders hoch ist Bei den verwendeten PEC Atzparametern 0 02 m KOH 0 VvsSCE tritt die Generation von whiskers nur in unmittelbarer N he von maskierten Gebieten auf Auch die Begrenzung durch den Dichtungsring am Rand eines jeden Atzpunkts stellt solch eine Bedingung dar Dies ist auf rtliche Variationen im pH Wert zur ckzuf hren vgl auch Abschnitt 7 2 3 F r Aufl sungspotentiale gr er als 0 2 VvsSCE wurden in keinem eigenen PEC Experiment whiskers gefunden In diesem Spannungs und pH Bereich sind die Nanostrukturen aufgrund ihres geringen Durchmessers mechanisch nicht mehr stabil und brechen leicht
219. w Phosphor oxi diert etwa zu As bzw P 59 W hrend also bei diesen III V Halbleitern zur Oxidation einer Formeleinheit 6 L cher ben tigt werden zweimalige berf hrung vom Oxidationszu stand O f r eine kovalente Bindung in den Oxidationszustand 3 f r die Gruppe II und Gruppe V Komponente sind f r die Gruppe III Nitride nur 3 L cher notwendig siehe auch Gleichung 6 1 Damit ist ebenfalls die Valenz z der zugrundeliegenden elektroche mischen Reaktion gegeben durch die nat rliche Zahl 3 Dieser Faktor ist entscheidend f r die in situ zeitgleiche Beobachtung der Reaktionskinetik Unter der Voraussetzung da parasi tar ablaufende Reaktionen wie etwa die oben angedeutete Oxidation von Chlor Ionen aus dem Elektrolyten oder gar die Oxidation von Wasser ausgeschlossen bzw vernachl ssigt werden k nnen kann damit die beobachtete Stromdichte jphoto unter UV Bestrahlung als direktes Ma f r die Oxidations bzw Atzrate r benutzt werden Die tztiefe Weich ergibt sich elementar durch Anwendung des Faraday schen Gesetzes zu Start 1 Ende Wak si di 6 2 tch 1 Mout Dan N a jroo dt q photo In differentieller Form ist damit die tzrate r d W M r th 1 Mes Jasso 6 3 dt Zi Das Na 72 PEC Atzen im reaktionslimitierten Regime welche mit den Werten f r die molare Masse M oa 83 73 g mol und der spezifischen Dich te von GaN Pen 6 1g cm und der Avogadro Konstante N 6 022x 10 mol in
220. ws Software findet sich in Abb 7 8 91 PEC Atzen unter Diffusionslimitierung und Oxidation Zu positiven Spannungen hin diinnen die Nanostrukturen aus bzw brechen aus mechanischen Griinden ab ihre verbleibenden Riimpfe sind teilweise noch am Atzgrund erkennbar Abb 7 7 c und d Das Verschwinden der whiskers ist bedingt durch die Wahl des ange legten Potentials Durch den bergang zu positiveren Aufl sungspotentialen wird der Einflu der sich um die Versetzungslinie ausbildenden effektiven L chersenke immer kleiner Der un mittelbare Bereich kann grob mittels der Debye L nge Lp abgesch tzt werden und liegt nach Gleichung 4 4 im Bereich von ca 4 11 nm f r ein typisches Elektronenkonzentrations niveau von 10 10 cm 89 Dies entspricht damit auch der unteren beobachtbaren latera len Abmessung von stabilen whiskers Innerhalb seiner L cher Lebensdauer Tp kann ein Loch als Minorit tsladungstr ger diesen Bereich erreichen und damit rekombinieren Durch die Wahl eines positiveren Aufl sungspotentials wird aber grenzflachennah die L cher Lebens dauer Tp ma geblich verringert so da die L cher unmittelbar nach Erreichen der Halbleiter Elektrolyt Grenzfl che gem Gleichung 6 1 reagieren Die abgetragenen Bereiche zwischen den verbleibenden R mpfen um die Versetzungslinien werden gr er was sich n den REM Aufnahmen der gt Abb 7 7 als zunehmend graue Grundfarbe widerspiegelt eRe te AOTTER
221. yklus trotz zum Teil sehr hoher UV Bestrahlung und aggressivem Elektrolyten unver ndert Etwaige Modifikationen lassen sich leicht entweder schon im optischen Mikroskop oder auch im Elektronenmikroskop erkennen In letzterem kann auch eine Oberfl chenbelegung bzw determinierung durch einen Kontrastunterschied zwischen den behandelten und unbehan delten Teilbereichen der Halbleiterprobe nachgewiesen werden w hrend m optischen Mikro skop schon geringe Abweichungen im Interferenzmuster bzw in der Tarbe der Probe auf Ver nderungen hindeuten 55 Photoelektrochemische Charakterisierung F r eine nominell undotierte MBE Probe sind in Abb 5 1 die Ruhepotentiale aufgetragen in Abh ngigkeit von der eingestrahlten Bestrahlungsst rke F bzw optischen Dichte D in einer MeBreihe unmittelbar vor und in einer anderen nach einem PEC Atzschritt bei welchem ca 50 nm Probenmaterial entfernt wurden In beiden Me reihen verschiebt sich das Ruhe potential bei steigender UV Intensit t niedrigerer optischen Dichte zu negativeren d h ka thodischen Werten Durch die UV Bestrahlung bzw durch die photoinduzierte Generation von L chern unmittelbar an der Oberfl che ver ndert sich das Potential der Halbleiterober fl che zu negativeren Werten Im Zusammenhang mit der elektrochemischen Spannungsreihe von edlen Au Pt und weniger edlen Metallen Al Mg erscheint der bestrahlte n Halbleiter weniger nobel als wenn er unbestrahlt ist Es kann a
222. zu durchgef hrten ID S mulationen zum Bandkantenverlauf von AlGaN GaN Heterostrukturen mit verd nnter AlGaN Barrierendicke Die resultierenden quanten mechanisch erlaubten Zust nde liegen energetisch h her Dadurch kann ein Teil der urspr nglichen 2DEG Kanalelektronen bereits thermisch aktiviert den Quantentrog ver lassen Als weiteres Bauelement wird als Modifikation und Verbesserung der PEC Oxid PECVD S102 MOS HFET Tandem PEC MOS HFET vorgeschlagen und seine wichtig sten Kenndaten fiir experimentell hergestellte Bauelemente genannt Fur die Generierung von PEC Oxiden bei HFET Strukturen in industriellem Ma stab wird eine Methode zur elektrodenlosen Atzung Oxidation entwickelt bei welcher bereits aufgebrachte Source und Drain Metallisierungen als lokale Gegenelektroden benutzt werden k nnen Durch Strippen der resultierenden d nnen Ga gt 0 Schichten konnten in diesem Verfahren bereits gate recessed HFETs realisiert werden Dabei ist aufgrund der vergr erten Gate Kapa z t t die Einsatzspannung reduziert und die Steilheit erh ht 151 Zusammenfassung 152 Anhang Anhang Anhang A Epitaxiemethoden f r Gruppe III Nitride Die in dieser Arbeit untersuchten Nitridschichten des AlGaN Systems wurden epitaktisch entweder am LfI mittels plasmaunterst tzter Molekularstrahlepitaxie plasma assisted mole cular beam epitaxy PA MBE oder von verschiedenen anderen Arbeitsgruppen in Europa und den USA mittels MOVPE oder HVPE
223. zum Faraday Strom beitragen oder andere Grenzfl chenreaktionen wie die Oxi dat on von Chlor Ionen zu Chlor erkl rt werden 600 600 Probendicke j 500 _ E _ 500 400 a P 400 Oo N 300 300 cL a 0 5 mA cm eb 200 o 1 0 mA cm 200 E e 1 6 mA cm2 100 y 2 0 mA cm 100 9 4 4 0 mA cm g O 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 spez Ladung mG cm Abb 6 1 Abh ngigkeit der mittleren tztiefe f r unterschiedliche eingepr gte Photo Stromdichten als Funktion ihrer zeitlich integrierten Gr e der fl chenspezifischen Ladung Ebenso aufgetragen sind die theoretischen Kurven welche sich f r die Valenzwerte z von 2 3 und 4 ergeben In keinem PEC Experiment weder in den beiden obigen Versuchsreihen noch sonst Konnte allerdings ein Valenzwert geringer als 3 erzielt werden So wurde z B n der zweiten Versuchsreihe die in Abb 6 2 wiedergegeben ist unter Verwendung einer Photostrom dichte Jphoto von 1 6 mA cm als experimentelle Untergrenze der Valenz z ein Wert von 3 3 74 PEC Atzen im reaktionslimitierten Regime gefunden Wenn man zus tzlich das verwendete Me verfahren zur Bestimmung der durch schnittlichen tztiefe die Oberfl chen Profilometrie mit einem Sloan Dektak 3030 Ger t n her betrachtet erscheint eine leichte Korrektur zu kleineren Valenzen als den experimentell bestimmten plausibel Bei dem Me verfahren rastert eine makroskopische Nadel mit eine

und Oxidationstechnik für AlGaN und Anwendung in Heterostruktur

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