Neues Barrierematerial für GaN-Heterostrukturen NbAlN verdreifacht die Elektronendichte in GaN-Strukturen

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Forscher haben erstmals polares Niobium-Aluminium-Nitrid mit Wurtzitstruktur auf GaN hergestellt. Als zusätzliche Barriereschicht erhöhte das Material die Elektronendichte an der AlN/GaN-Grenzfläche um mehr als das Dreifache.

Forscher aus Japan haben erstmals polares Niobium-Aluminium-Nitrid mit Wurtzitstruktur epitaktisch auf GaN hergestellt. Als zusätzliche Barriereschicht erhöhte das Material die Elektronendichte an der AlN/GaN-Grenzfläche um mehr als das Dreifache. Bis zum Einsatz in GaN-Transistoren sind jedoch noch weitere Untersuchungen notwendig.

Galliumnitrid und Aluminiumnitrid bilden eine wichtige Materialgrundlage für leistungsfähige Hochfrequenz- und Leistungshalbleiter. Neben ihrer großen Bandlücke und hohen elektrischen Durchbruchfeldstärke besitzen diese Materialien eine ausgeprägte spontane und piezoelektrische Polarisation. Unterschiede in der Polarisation können an den Grenzflächen entsprechender Schichtsysteme ein zweidimensionales Elektronengas, kurz 2DEG, erzeugen.

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Dieses 2DEG stellt den leitfähigen Kanal eines GaN-basierten High-Electron-Mobility-Transistors (HEMT) bereit. Anders als bei konventionellen Halbleitern muss der Kanal nicht durch eine gezielte Dotierung erzeugt werden. Seine Ladungsträgerdichte und Beweglichkeit beeinflussen jedoch maßgeblich, welchen Strom ein Transistor führen kann und welche Leitungsverluste entstehen.

Übergangsmetall in polarer Wurtzitstruktur

Ein Forschungsteam der Tokyo University of Science, der University of Tokyo und der Mie University hat nun Niobium-Aluminium-Nitrid (NbAlN) als neues polares Material für GaN-Heterostrukturen untersucht. Den Forschern gelang es erstmals, einkristalline NbAlN-Dünnschichten epitaktisch auf GaN abzuscheiden und dabei die polare Wurtzitstruktur des Ausgangsmaterials zu erhalten.

Das ist keineswegs selbstverständlich: Niob gehört zu den Übergangsmetallen und bildet mit Stickstoff üblicherweise metallisches NbN mit Steinsalzstruktur. Bei der Einlagerung in AlN bestand daher die Gefahr, dass sich die Kristallstruktur verändert, zusätzliche Phasen entstehen oder die für die elektrische Wirkung erforderliche einheitliche Polarität verloren geht.

Die Herstellung erfolgte mittels reaktiver Sputterepitaxie. Untersucht wurden NbAlN-Schichten mit Niobanteilen zwischen 11 und 37 %. Bis zu einem Anteil von etwa 25 % blieben die Oberflächen vergleichsweise glatt und die Wurtzitstruktur kohärent zum darunterliegenden GaN. Bei 37 % Niob verschlechterten sich dagegen Oberflächenbeschaffenheit und Kristallqualität deutlich.

Aufnahmen mit einem atomar auflösenden Rastertransmissionselektronenmikroskop zeigten zudem Nb-reiche Bereiche im Nanometermaßstab. Trotz dieser lokalen Schwankungen blieb das Kristallgitter in der untersuchten Region kontinuierlich. Korngrenzen oder eine entspannte sekundäre Phase wurden dort nicht beobachtet.

Mehr als dreifache 2DEG-Dichte

Um die elektrische Wirkung des Materials zu untersuchen, ergänzten die Forscher eine AlGaN/AlN/GaN-Referenzstruktur um eine NbAlN-Barriere. Das optimierte Schichtsystem enthielt eine 13 nm dicke NbAlN-Schicht mit einem Niobanteil von 10 %, die bei 775 °C abgeschieden wurde.

Die gemessene 2DEG-Flächendichte stieg von rund 5,1 × 10¹² cm^-2in der Referenzstruktur auf 1,7 × 10¹³ cm^-2 mit NbAlN-Barriere. Damit erreichte sie mehr als den dreifachen Ausgangswert. Die Elektronenbeweglichkeit blieb zugleich auf einem vergleichsweise hohen Niveau: Bei Raumtemperatur wurden 1.485 cm²/(V·s) gemessen, gegenüber 1.690 cm²/(V·s) in der Referenzstruktur. Bei 80 K stieg die Beweglichkeit auf 6.800 cm²/(V·s).

Die Ergebnisse sprechen dafür, dass die polare NbAlN-Schicht die elektrostatischen Randbedingungen des Schichtsystems verändert und dadurch die Ladungsträgerdichte an der AlN/GaN-Grenzfläche erhöht. Die Forscher weisen allerdings darauf hin, dass ein zusätzlicher Einfluss unbeabsichtigter Verunreinigungen bislang nicht vollständig ausgeschlossen werden kann.

Noch kein Nachweis auf Transistorebene

Eine höhere 2DEG-Dichte könnte künftig GaN-HEMTs mit hoher Stromtragfähigkeit beziehungsweise einem geringeren Kanalwiderstand ermöglichen. Ein solcher Zusammenhang lässt sich aus den vorliegenden Materialuntersuchungen jedoch noch nicht unmittelbar ableiten. In der Studie wurde zunächst die Heterostruktur charakterisiert; ein vollständiger Transistor wurde nicht hergestellt oder elektrisch untersucht.

Auch wichtige Materialparameter des NbAlN, darunter seine Polarisationskonstanten und der Bandversatz gegenüber den angrenzenden Schichten, sind noch nicht abschließend bestimmt. Darüber hinaus müssen die Forscher genauer untersuchen, welchen Einfluss Grenzflächen, Verunreinigungen und die Nb-reichen Nanobereiche auf die elektrischen Eigenschaften haben.

NbAlN ist daher noch kein unmittelbar einsetzbares Material für kommerzielle GaN-Leistungstransistoren. Die Ergebnisse erweitern aber den bislang stark von klassischen III-Nitriden und ScAlN geprägten Werkstoffraum. Sie zeigen, dass sich auch ein Übergangsmetall in eine polare Wurtzitstruktur integrieren lässt und zur gezielten Einstellung der Ladungsträgerdichte in GaN-Heterostrukturen beitragen kann.

Die Untersuchung ist unter dem Titel „Polar Wurtzite NbAlN: A Transition-Metal Nitride Alloy for Polarization-Engineered GaN Heterostructures“ in Advanced Materials erschienen. (mr)

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