Untersuchung von InN-basierenden Transistorstrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Ziele des Projekts waren (i) theoretische Untersuchungen zu InN-Heterostrukturen und die Erarbeitung von vertikalen Schichtdesigns für InN-Transistoren, (ii) Epitaxie von InN- Schichten und -Heterostrukturen und deren umfassende Charakterisierung zur Bestimmung der für Transistoren relevanten Eigenschaften und (iii) Entwurf, Prozessierung und Charakterisierung von Test- und Transistorstrukturen auf InN-Basis. Durch quantenmechanische Schrödinger-Poisson-Simulationen wurde eine Vielzahl von InN- Heterostrukturen auf ihre Eignung für FETs untersucht. Dabei haben wir nicht wie andere Gruppen nur Elektronen betrachtet, sondern die Schrödingergleichung für Elektronen und Löcher gelöst. Aus den Simulationsergebnissen wurden für FETs geeignete Schichtenfolgen entwickelt und für die Wachstumsexperimente Strukturen mit relaxierten InN-Kanälen moderater Dicke auf InGaN-Puffern vorgeschlagen. Da diese Arbeiten bereits in einer frühen Projektphase die gewünschten Ergebnisse lieferten, wurde über den eigentlichen Arbeitsplan hinaus auch kubisches InN untersucht. Monte-Carlo-Simulationen ergaben, dass kubisches InN hinsichtlich des Elektronentransports ebenfalls ein attraktives Material ist, das mit anderen III-V-Halbleitern konkurrieren kann. Dadurch motiviert wurde die Eignung kubischer InN-Heterostrukturen für FETs mit quantenmechanischen Simulationen untersucht. Diese Arbeiten stellen weltweit die ersten detaillierten Untersuchungen zu kubischem InN dar. Nach den Designvorgaben der Theorie wurden zahlreiche InN-Schichten und InN- Heterostrukturen gewachsen und charakterisiert. Am Anfang stand die Optimierung des Epitaxieprozesses für InN, wobei insbesondere der Einfluss der Wachstumsparameter auf Ladungsträgerbeweglichkeit und -dichte, Oberflächenmorphologie sowie strukturelle und optische Eigenschaften der InN-Schichten untersucht wurden. An 700 nm dicken InN- Schichten wurden Rekordbeweglichkeiten sowie Geschwindigkeit-Feldstärke-Charakteristika gemessen. Um die unerwünschte Hintergrunddotierung von InN zu kompensieren, wurden Experimente zur Kohlenstoffdotierung durchgeführt. Diese ergaben, dass Kohlenstoff nicht wie allgemein angenommen kompensierend, sondern im Gegenteil als Donator wirkt. Als nächstes wurden dann InN-Heterostrukturen vom Typ InGaN-Barriere – InN-Kanal – InGaN- Puffer mit, wie von der Theorie empfohlen, moderaten InN-Dicken zwischen 4 und 20 nm gewachsen und charakterisiert. So wurden z.B. die für die Funktion von Transistoren wichtigen Bandoffsets an InN-Grenzflächen gemessen. Aus den InGaN/InN/InGaN-Schichtenfolgen wurden dann Transistorstrukturen prozessiert. Da HEMT-Strukturen bereits bei der Vorcharakterisierung sehr hohe Leckströme zeigten, wurde generell zum MISFET-Konzept übergegangen und zwischen Gate und InGaN-Barriere ein zusätzlicher Isolator abgeschieden. Allerdings muss festgestellt werden, dass es trotz erheblicher Anstrengungen nicht gelungen ist, funktionierende InN-FETs herzustellen. Die im Projekt prozessierten InN-MISFETs zeigten keine nennenswerte Steuerwirkung, d.h., der Drainstrom blieb bei Variation der Gatespannung nahezu konstant. Im vorliegenden Projekt konnten der Wissensstand zu InN erheblich vorangebracht und zahlreiche wissenschaftliche Fragestellungen zu diesem Material beantwortet werden. Bei den theoretischen Untersuchungen wurde Neuland betreten und die Simulationen zu kubischem InN stellen die weltweit ersten systematischen Studien zu diesem Material dar. Die im Projekt erreichte Qualität der InN-Schichten entspricht dem internationalen Stand, bei der Beweglichkeit konnten Rekordwerte erzielt werden und die Messungen zum Hochfeldtransport in InN sind die ersten ihrer Art. Trotz dieser bemerkenswerten Ergebnisse konnte leider das Endziel des Projekts, die Realisierung funktionierender InN-Transistoren, nicht erreicht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Carrier mass measurements in degenerate indium nitride, Phys. Rev. B 79, 165207 (2009)
G. Pettinari, A. Polimeni, M. Capizzi, J. H. Blokland, P. C. M. Christianen, J. C. Maan, V. Lebedev, V. Cimalla, and O. Ambacher
- Determination of the composition of InxGa1−xN from strain measurements, Acta Materialia 57, 5681-5692 (2009)
F. M. Morales, D. Gonzalez, J. G. Lozano, R. Garcia, S. Hauguth-Frank, V. Lebedev, V. Cimalla, and O. Ambacher
- Low-field and highfield electron transport in zinc blende InN, Appl. Phys. Lett. 94, 022102 (2009)
V. M. Polyakov, F. Schwierz, F. Fuchs, J. Furthmüller, and F. Bechstedt
- Transport properties of InN, in T. D. Veal and C. F. McConville (eds.), Indium Nitride and Related Alloys, CRC Press, Boca Raton, 139-180 (2010)
V. Cimalla, V. Lebedev, O. Ambacher, V. M. Polyakov, F. Schwierz, M. Niebelschütz, G. Ecke, T. H. Myers, and J. W. Schaff
- Vertical Design of InN Field Effect Transistors, Proc. ESSDERC, 428-431 (2010)
R. Granzner, M. Kittler, F. Schwierz, and V. M. Polyakov
- Electron and hole accumulation in InN/InGaN heterostructures, Phys. Stat. Sol. C 8 485-487 (2011)
V. Lebedev, V. Polyakov, A. Knübel, R. Aidam, L. Kirste, V. Cimalla, R. Granzner, F. Schwierz, and O. Ambacher
- Valence band offsets at oxide/InN interfaces determined by X-ray photoelectron spectroscopy, Phys. Stat. Sol. C 9, 685-688 (2012)
A. Eisenhardt, G. Eichapfel, M. Himmerlich, A. Knübel, T. Passow, C. Wang, F. Benkhelifa, R. Aidam, and S. Krischok
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pssc.201100378) - N-type conductivity and properties of carbon-doped InN(0001) films grown by molecular beam epitaxy, J. Appl. Phys. 113, 033501 (2013)
M. Himmerlich, A. Knübel, R. Aidam, L. Kirste, A. Eisenhardt, S. Krischok, J. Pezoldt, P. Schley, E. Sakalauskas, R. Goldhahn, R. Felix, J. M. Manuel, F. M. Morales, D. Carvalho, T. Ben, R. Garcia, and G. Koblmüller
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4775736) - Surface states and electronic structure of polar and nonpolar InN – An in situ photoelectron spectroscopy study, Appl. Phys. Lett. 102, 231602 (2013)
A. Eisenhardt, S. Krischok, and M. Himmerlich
(Siehe online unter https://doi.org/10.1063/1.4810074)
