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GaN-Bauelementtechnologie


Die Forschungsaktivitäten im Bereich der Galliumnitrid-Bauelemente umfassen Heterostruktur-Feldeffekttransistoren (HFETs) auf der Basis von Gruppe III-Nitriden. HFETs zeichnen sich dadurch aus, dass an der Hetero-Grenzfläche eine hohe ortsfeste positive Flächenladung existiert, bedingt durch den großen Unterschied der Polarisation einer Barrierenschicht (z.B. AlGaN) und der eines GaN-Puffers. Die Anreicherung von kompensierenden beweglichen Elektronen an dieser Grenzfläche führt bereits ohne extrinsische Dotierung zur Bildung von 2-dimensionalen Elektronengasen (2DEG). Dieses 2DEG wird als Kanal für den Feldeffekttransistor verwendet. Durch die hohe Ladungsträgerdichte sowie die hohe Ladungsträgerbeweglichkeit im 2DEG eignen sich HFETs auf GaN-Basis für Anwendungen im Hochfrequenzbereich, wie z.B. der Radartechnik oder für die mobile Datenkommunikation. Gleichzeitig können diese Bauelemente eine sehr hohe Leistungsdichte erzielen und vertragen (verglichen z.B. mit Si-Technologie) wesentlich höhere Betriebstemperaturen. Diese Eigenschaft reduziert zum einen den Kühlaufwand und zum anderen ermöglicht es die Verwendung von kompakteren Modulen. Beides sind Aspekte welche den HFET interessant für die Verwendung in der Leistungselektronik machen, wie sie z.B. in neuen Hybrid- oder Elektrofahrzeugen benötigt wird.

Technologie 

Unter anderem verfügt das Institut über einen sehr stabilen Basisprozess zur Erzeugung von Heterostrutur-Feldeffekttransistoren (HFETs). Sämtliche Schritte der Prozessierung können im eigenen Reinraum (Zentrallabor für Technologie (ZT)) durchgeführt werden. Der Basisprozess der Technologie setzt direkt nach der Epitaxie an, welche ebenfalls im Institut durchgeführt wird (Nitrid-MOCVD) und umfasst die folgenden Schritte:

GaN-BET__Prozesskette

  1. Ätzen der Mesa mittels eines BCl3/Ar-Plasmas: Durch das Strukturieren einer Mesa wird das Bauelement zum umliegenden Material isoliert.
  2. Strukturierung der ohmschen Kontakte mittels optischer Lithographie.
  3. Abscheiden des Metall-Stacks für die ohmschen Kontakte plus anschließender Lift-Off
  4. Tempern der Kontakte mittels RTA zum Legieren der Kontakte.
  5. Lithographie und Deposition des Metalls für die Gate-Kontakte.
  6. Lithographie und Abscheiden von Kontaktpads

Aktuelle Forschungsschwerpunkte 

Die so erzeugten HFETs brauchen keinen Vergleich mit aktuellen Transistoren anderer Forschungsgruppen zu scheuen. Neben der stetigen Verbesserung des Basisprozesses befasst sich der Lehr- und Forschungsbereich GaN-Bauelementtechnologie unter anderem mit den folgenden Vertiefungen:

  • MIS-HFETs (Metall-Isolator-Halbleiter-HFETs)
  • InAlN/GaN-HFETs
  • quaternäre InAlGaN/GaN-HFETs
  • vertikales Transistordesign

Charakterisierung 

Neben dem nötigen Equipment für die Technologie verfügt das Institut auch über umfassende Möglichkeiten zur Charakterisierung der Transistoren. Hochfrequenzmessungen sowie S-Parameter-Messungen können im AIX-VZ durchgeführt werden. Im ZT selbst sind unter anderem die folgenden Charakterisierungen möglich:

  • Messung von DC-Kennlinien der Transistoren
  • gepulste Messungen
  • CV-Messungen
  • Hall-Messungen
  • TLM-Messungen

Ansprechpartner 

  • Wissenschaftliche Leitung:
    • Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andrei Vescan
  • Wissenschaftliche Mitarbeiter:
    • Hady Yacoub, M.Sc.
    • Gerrit Lükens, M.Sc.
    • Simon Kotzea, M.Sc.

Abschlußinformationen