Surface and electrical properties of GaN layers : impact on GaN/AlInN FETs

Abstract

Wegen ihrer vielversprechenden Eigenschaften, wie der großen Bandlücke, der hohen Durchbruchfeldstärke und Heterostrukturen, mit denen sich zweidimensionale Elektronengase erzeugen lassen, ist die Gruppe der Nitrid-basierte Halbleiter für Leistungselektronik-Anwendungen geeignet. Allerdings begrenzen Zuverlässigkeitsprobleme durch die Anwesenheit von Versetzungen und anderer nativer Defekte immer noch die Leistung von GaN-basierten Bauelementen, zum Beispiel aufgrund von hohen Gate-Leckströmen und einem früheren Durchbruch der Bauteile. In dieser Arbeit werden wesentliche Materialeigenschaften von MOVPE-gewachsenen GaN-Puffern und FET-Strukturen untersucht, die die Grundlage für das Verständnis der Leistungsfähigkeit dieser Bauelemente bilden. Oberflächenpotentialstudien an semi-isolierenden GaN-Schichten zeigten, dass die durch Kohlenstoff eingeführten Akzeptorzustände bei einem C-Dotierungsniveau von über 1.6×1018 cm-3 ein Fermi-Level-Pinning unterhalb der Bandlückenmitte verursachen, während die Akzeptorzustände durch Eisenverunreinigungen energetisch immer oberhalb der Bandlückenmitte liegen. Der negative Oberflächenpotentialkontrast von Versetzungen, der in kohlenstoffdotierten GaN-Proben beobachtet wird, erhöht sich mit der Kohlenstoffkonzentration, während die Versetzungen in Fe-dotierten GaN-Proben einen neutralen oder nur schwach negativen Ladungskontrast unabhängig vom Dotierungsgehalt zeigen. Bei der Untersuchung von GaN:C- und GaN:Fe-Schichten, die in GaN/AlGaN- und GaN/AlN/AlInN-FETs als hochohmige Puffer verwendet werden, zeigte sich, dass durch eine Kohlenstoffdotierung geringere Leckströme in vertikaler und lateraler Richtung erzielt und die Durchbruchspannungen und -feldstärken im Vergleich zu Eisen verbessert werden. Vertikale Transportmessungen zeigen, dass Kohlenstoff-dotierte GaN-Schichten mit einer Dotierstoffkonzentration von 4.6x1018 cm-3 einen um bis zu fünf Größenordnungen niedrigeren Dunkelstrom bei Raumtemperatur und eine signifikant höhere thermische Aktivierungsenergie aufweisen als Fe-dotierte Proben mit einer vergleichbaren Dotierkonzen-tration. AlInN- und AlGaN-basierte FETs mit C-dotierten Puffern bieten zudem höhere Durchbruchsspannungen als Strukturen mit Fe-dotierten Puffern. Dabei beträgt die elektrische Feldstärke etwa 2.6×106 V/cm für laterale Pufferleckströme und über 2.4x106 V/cm bei vertikaler Kontaktanordnung. Im Gegensatz dazu beträgt die Durchbruchfeldstärke bei FETs mit Fe-dotierten Puffern bei bis zu 1.5x106 V/cm in lateraler Konfiguration und 1.9x106 V/cm für vertikale Messungen. Durch die C- und Fe-Dotierung des GaN-Puffers lassen sich die Gate-Leckströme und die off-state-Leckströme in FET-Bauelementstrukturen wesentlich reduzieren. Gleichzeitig wird jedoch eine Verschiebung der Schwellenspannung zu einer höheren Sperrspannung bei Erhöhung der Dotierungskonzentration des Puffers beobachtet. Bei der Untersuchung von GaN/AlN/AlInN Heterostrukturen mit einer SiN Passivierungs-schicht wurde beobachtet, dass sich der Leckstrom mit zunehmender Dicke der Deckschicht reduziert. Zusätzlich wird dadurch eine Verbesserung der Schottky Barrierenhöhe und des Serienwiderstands von Bauelementstrukturen erreicht. Die Leckmechanismen werden durch Modelle, die defektunterstütztes Tunneln und Frenkel-Poole-Emission beinhalten, erklärt.

Because of promising material properties, including large direct bandgap, high breakdown field strength, and heterostructures resulting in two-dimensional electron gas formation, the gallium nitride-based semiconductor family is ideally suited for power electronics applications. However, reliability issues due to presence of dislocations and other native defects still limit the performance of GaN-based devices causing gate leakage and early breakdown, for instance. In this work basic material properties of MOVPE grown GaN buffer and FET structures, which form the basis for understanding and elaborating device performance, are explored. By surface potential investigations of semi-insulating GaN layers it is demonstrated that the acceptor states introduced by carbon cause Fermi-level pinning below the midgap position at C doping levels above 1.6x1018 cm-3, whereas the acceptor-states by iron impurities were always energetically located above the midgap position. The negative surface potential contrast of dislocations, as observed in carbon doped GaN samples, was found to be increasing with carbon concentration, however the dislocations in Fe-doped GaN samples exhibit neutral or only weakly negative charge contrast independent of doping content. In the study of GaN:C and GaN:Fe films, which are used as highly resistive buffers in GaN/AlGaN and GaN/AlN/AlInN FET devices, carbon doping is found to be more effective in achieving low buffer and vertical leakage currents, as well as improving the breakdown voltages and field strengths in comparison with iron. Vertical transport measurements reveal that precursor based C-doped GaN layers with a dopant concentration of 4.6x1018 cm-3 exhibit an up to 5 orders of magnitude lower dark current at room temperature and significantly higher thermal activation energy than Fe-doped samples with a comparable dopant concentration. AlInN and AlGaN FETs with a C-doped buffer offer higher breakdown voltages than for a Fe-doped buffers with electric field strength around 2.6x106 V/cm for lateral buffer leakage and above 2.4x106 V/cm for vertical contact arrangement. In contrast, the FETs with a Fe-doped buffer enhance the breakdown field strength up to 1.5x106 V/cm in lateral configuration and 1.9x106 V/cm for vertical leakage measurements through the device. Both FET device structures with C- and Fe-doped GaN buffers substantially reduce gate leakage and off-state leakage currents. However, a shift in the threshold voltage to a higher reverse bias is seen for an overall increase in buffer doping level. In the study of GaN/AlN/AlInN heterostructures with SiN passivation layer, reverse leakage currents were alleviated substantially as a function of cap layer thickness. Also an improvement in the Schottky barrier height and the series resistance of device structures was achieved. The leakage mechanisms were explained by trap assisted tunnelling and Frenkel-Poole emission models.