Eigenschaften von Kohlenstoffdotierten GaN-Pufferschichten für Anwendungen in Hochleistungsbauelementen

Abstract

Halbeiter mit großer Bandlücke wie die der Gruppe-III-Nitride (Galliumnitrid (GaN) und Aluminiumnitrid (AlN)) eignen sich aufgrund ihrer hohen Durchbruchsfestigkeit hervorragend für die Verwendung von robusten und energieeffizienten Leistungsschaltern. Durch Polarisationseffekte der Gruppe III-Nitride können Heterostrukturen erzeugt werden, die zur Bildung eines zweidimensionalen Elektronengases (2DEGs) an den Grenzflächen führen, was die Realisierung von lateralen Hochleistungs-Feldeffekttransistoren (FETs) ermöglicht. Jedoch konnte das volle physikalische Potential von GaN-basierten Bauelementen bisher nicht erreicht werden. So weisen undotierte GaN-Schichten, die mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) gezüchtet werden, aufgrund von nativen Defekten und Verunreinigungen oft eine Restleitfähigkeit auf, die sich vor allem nachteilig auf die Durchbruchfeldstärke von GaN-basieren Bauelementen auswirkt. Daher ist es, um hohe Durchbruchfeldstärken und Spannungen zu erzielen essentiell, die Restleitfähigkeit so gering wie möglich zu halten, idealerweise nahe der intrinsischen Ladungsträger- konzentration, um hochisolierende GaN-Pufferschichten zu erzeugen, was häufig durch eine Kompensationsdotierung mittels Kohlenstoffs realisiert wurde. Typischerweise erfordert eine Erhöhung der intrinsischen Kohlenstoffdotierung eine Änderung der miteinander gekoppelten Prozessparameter wie Temperatur, Druck und V/III-Verhältnis. Damit ist jedoch eine gleichzeitige Optimierung der Wachstumsparameter auf eine gewünschte Kohlenstoffkonzentration bei bestmöglicher Kristallqualität schwer umsetzbar. In dieser Arbeit wird erstmals systematisch eine extrinsische C-Dotierung von GaN mittels eines Propan-Präkursors als Alternative zu den bisher bekannten Verfahren untersucht und erfolgreich belegt, dass diese Art der Kohlenstoffdotierung eine exzellente Isolationswirkung aufweist. Der dadurch erzielte zusätzliche Freiheitsgrad ermöglicht es die Wachstumsbedingungen auf eine hohe Kristallqualität hin zu optimieren und unabhängig davon den Kohlenstoffeinbau über die Flussrate des Präkursors zu steuern. Mit dieser neuen Methode, welche inzwischen auch von kommerziellen Halbleiterherstellen eingesetzt wird, wurde die C-Dotierung an drei verschiedenen Probenstrukturen hinsichtlich ihrer elektrischen, strukturellen und optischen Eigenschaften untersucht. Unter optimalen Wachstumsbedingungen für GaN konnte eine Kohlenstoffkonzentration von 1.2·1019 cm-3 erreicht werden, ohne die Kristallqualität zu beeinträchtigen. Der Einbau von Kohlenstoff zeigt anhand von SIMS-Tiefenprofilen keine negativen Effekte wie Anström- oder Memoryeffekt und ermöglicht dadurch eine präzise Steuerung der C-Dotierung. Anhand von Si,C kodotierten GaN-Probenserien konnte der Einbau von Kohlenstoff als elektrisch aktiver Akzeptor mit einer Effizienz von nahezu 100% gezeigt werden. Dadurch verbesserten sich die isolierenden Eigenschaften von GaN erheblich, und es wurden Durchbruchfeldstärken bis zu 2.03 MV/cm erreicht. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse, dass eine höhere Kohlenstoffkonzentration die Durchbruchfeldstärke weiter steigert und den Leckstrom um mehrere Größenordnungen reduziert. Die umfassende Analyse in der Arbeit zeigt außerdem, dass die gelbe und blaue Lumineszenz in GaN durch den CN-Akzeptordefekt verursachte wird. Die Ergebnisse erweitern das Verständnis der defektbezogenen Lumineszenz in GaN und liefern entscheidende Einblicke, die zur Optimierung von GaN-basierten Technologien beitragen.

Semiconductors with a large band gap such as Group III-nitrides (gallium nitride (GaN) and aluminum nitride (AlN)) are excellently suited for the use in robust and energy-efficient power switches due to their high breakdown strength. Polarization effects in Group III-nitride heterostructures can lead to the formation of a two-dimensional electron gas (2DEG) at the interfaces, enabling the realization of lateral high-power field-effect transistors (FETs). However, the full physical potential of GaN-based devices has not yet been reached. Undoped GaN layers grown by using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) often exhibit residual free carriers due to native defects and impurities, which have a particularly negative impact on the breakdown voltage of GaN-based devices. Therefore, it is crucial to keep the residual charge carrier concentration as low as possible, ideally close to the intrinsic carrier concentration, to obtain highly insulating GaN buffer layers. This can be achieved by compensation doping with carbon. Typically, increasing the intrinsic carbon doping concentration requires changes in process parameters such as temperature, pressure, and V/III ratio. However, changing growth conditions leads to different incorporation probabilities and lattice site preferences of carbon as well as to unknown formation energies of the remaining impurities and point defects. This makes a prediction of the insulating characteristics of such GaN layers difficult. In this work an alternative to the less optimal methods of iron or intrinsic carbon doping, namely extrinsic C-doping using a propane precursor is systematically investigated for the first time. It is demonstrated that excellent electrical, structural, and optical properties of the highly insulating GaN buffer layers can be achieved, without altering the optimized growth parameters for high-quality GaN layers. Under optimal growth conditions for GaN, a carbon concentration of 1.2·1019 cm-3 was achieved without degrading the crystal quality. Carbon incorporation, as shown by SIMS depth profiles, exhibits no indication of a carbon memory effect. A linear relationship between propane flow and C-incorporation is demonstrated allowing the precise control of C-doping. A silicon and carbon co-doping technique was applied to determine the compensation efficiency of propane as a precursor. The incorporation of carbon as an electrically active acceptor in GaN shows an efficiency of nearly 100%. This has improved the insulating properties of GaN, achieving breakdown field strengths up to 2.03 MV/cm. The results further show an increasing breakdown strength with increasing carbon concentration and a reduction of the leakage current by several orders of magnitude. The comprehensive analysis demonstrates that the yellow and blue luminescence bands in GaN are due to transitions involving the CN acceptor defect. These findings improve the understanding of defect-related luminescence in GaN and have implications for the development of optoelectronic devices.