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Bibliographic Metadata

Title
Metal-insulator-semiconductor structures and AlGaN/GaN hetero-junctions based on cubic group-III nitrides
AuthorZado, Alexander
ExaminerAs, Donat Josef
Published2015
Institutional NotePaderborn, Univ., Diss., 2015
Annotation
Tag der Verteidigung: 08.01.2015
Defended on2015-01-08
LanguageEnglish ; German
Document TypesDissertation (PhD)
URNurn:nbn:de:hbz:466:2-15372 
Files
Metal-insulator-semiconductor structures and AlGaN/GaN hetero-junctions based on cubic group-III nitrides [20.37 mb]
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Classification
Abstract (German)

Als ein Vertreter der Gruppe-III Nitride kristallisiert GaN in der stabilen Wurzitstruktur oder in der metastabilen Zinkblendestruktur. Der Unterschied zwischen diesen Kristallstrukturen ist die Anwesenheit eines starken internen Polarisationsfeldes in der hexagonalen Phase entlang der polaren c-Achse, während dies in der kubischen Phase nicht der Fall ist. Das interne elektrische Feld kann unter Umständen die Leistung eines Bauelementes limitieren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung und Charakterisierung von kubischen GaN/AlGaN Halbleitersystemen. Die Herstellung der Schichten erfolgt in einem Plasma unterstützten Molekularstrahl-Epitaxie Prozess. Da das zur Verfügung stehende 3C-SiC allerdings eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt, werden für spezielle Bauelemente isolierende Pufferschichten hergestellt um das Substrat vom aktiven Bauelement elektrisch zu trennen. Hierzu werden zwei Ansätze untersucht. Zum einen wird eine Kohlenstoff-Dotierung der kubischen GaN Pufferschicht diskutiert. Zum anderen werden asymmetrische Quanten-Graben Strukturen, bestehend aus kubischen AlN/GaN Schichten, realisiert und untersucht. Zur Minimierung des Leckstromes durch das Transistor-„gate“ werden Metall-Isolator-Halbleiter-Strukturen als Ersatz für das Schottky-„gate“ hergestellt. Als Isolatoren werden SiO2 und Si3N4 untersucht. Es werden sowohl ein Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor ohne eine c-AlGaN Schicht, als auch c-AlGaN/GaN Heteroübergang-Feldeffekt-Transistoren vorgestellt. Der „gate“-Leckstrom konnte durch die Anwendung von Isolatoren unter dem „gate“-Kontakt eliminiert werden. Durch das Wachsen isolierender c-AlN/GaN:C Schichten konnte die parallele Leitung durch das Substrat ebenfalls minimiert werden. MIS-FETs mit „normally-on“ und "normally-off" Eigenschaften wurden realisiert.

Abstract (English)

Cubic AlGaN/GaN hetero-junction field effect transistor structures were fabricated by plasma assisted molecular beam epitaxy on 3C-SiC (001) substrates. The structural quality of the layers was controlled in-situ by reflection high energy electron diffraction and ex-situ by high resolution x-ray diffraction, atomic force microscopy and time of flight secondary ion mass spectroscopy. Metal-Insulator-Semiconductor structures were realized using plasma assisted molecular beam epitaxy and plasma enhanced chemical vapour deposition. The characterization of the structures was performed using electrical techniques like capacitance-voltage-, current-voltage-, Hall effect-measurements and admittance spectroscopy.To improve the gate characteristics an insulating layer is required. Insulating SiO2 and Si3N4 layers were produced using plasma enhanced chemical vapour deposition. An in-situ method of deposition of Si3N4 directly inside the molecular beam epitaxy chamber is discussed. The metal-insulator-hetero-junction-semiconductor-structures were characterized by capacitance-voltage- and admittance-spectroscopy-measurements.Several techniques were analysed to electrically isolate the conductive substrate from the active transistor device. For the free standing high conductive 3C-SiC substrate to drop the conductivity of the cubic GaN buffer layer carbon doping was used. Due to a large conduction band offset between cubic GaN and cubic AlN asymmetric multi quantum well structures were grown to prohibit current flow towards the substrate. Using several assembly techniques transistor devices were fabricated. A cubic GaN field effect transistor operation is presented. Metal-insulator-semiconductor-hetero-junction field effect transistors with normally-on and normally-off characteristic were realized.