Arbeitsgruppe Halbleitende Oxidschichten - Überblick

Metalloxide wie Ga2O3, In2O3, ZnO, SnO2 werden im großen Umfang als transparente leitende Oxide (TCO) verwendet. Diese Klasse von Materialien hat eine große industrielle Relevanz und findet Anwendung als Frontkontakte für Solarzellen, Flüssigkristalldisplays und als chemische Sensoren. In den letzten Jahren konzentrierte sich das Interesse an diesen Materialien auf eine Anwendung als transparente halbleitende Oxide (TSO). Ga2O3 (4,9 eV) und In2O3 (2,9 eV) besitzen sehr verschiedene Bandabstände. Durch die Abscheidung von (Ga1-xInx)2O3 könnte der Bandabstand zielgerichtet verändert und damit die elektronischen Eigenschaften anwendungsorientiert eingestellt werden. Damit eröffnet sich das Potential für eine neue Klasse von Halbleitern mit Anwendungen in der transparenten Mikroelektronik, Optoelektronik, UV-Sensorik und für chemische Sensoren.

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Am Leibniz-Institut für Kristallzüchtung besteht die einzigartige Möglichkeit, die Züchtung von ß-Ga2O3-Einkristallen mit hoher kristalliner Perfektion, die Präparation von einkristallinen Substraten und die Abscheidung von epitaktischen Schichten mit kontrollierten elektrischen Eigenschaften miteinander zu kombinieren. Die Homoepitaxie von Ga2O3 mit dem MOVPE Verfahren wird zurzeit nur am IKZ durchgeführt. Für das homoepitaktische Wachstum wird ein kommerzielles vertikales MOVPE System verwendet. 

Durch die Verwendung von Triethylgallium und Sauerstoff als Precursoren wurden einkristalline, halbleitende n-Typ β-Ga2O3 Schichten hergestellt. Die Analyse der kristallinen Perfektion der Schichten ergab, dass Planardefekte und Zwillingskorngrenzen eine wesentliche Ursache für die Kompensation von freien Ladungsträgern in den Schichten sind. Durch die Verwendung von off-orientierten (100) und (010) orientierten Ga2O3 Substraten für die Schichtabscheidung ist die Defektdichte in den Schichten signifikant reduziert worden. Im Ergebnis dieser strukturellen Verbesserung wurden elektrische Eigenschaften in den Schichten gemessen, die denen der Einkristalle entsprechen bzw. diese übertreffen.

Schlüsselpublikationen

G. Wagner, M. Baldini, D. Gogova, M. Schmidbauer, R. Schewski, M. Albrecht, Z. Galazka, D. Klimm, R. Fornari,
Homoepitaxial Growth of β-Ga2O3 Layers by Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy.
PHYS Status Solidi A 211 (2014) 27 - 31
doi:10.1002/pssa.20133009

M. Baldini, D. Gogova, K. Irmscher, M. Schmidbauer, G. Wagner, R. Fornari,
Heteroepitaxy of Ga2(1-X)In2xO3 Layers by MOVPE with Two Different Oxygen Sources.
CRYST RES TECHNOL 49 (2014) 552 - 557
doi:10.1002/crat.201300410

M. Baldini, G. Wagner, M. Albrecht, D. Gogova, R. Schewski
Effect of Indium as a Surfactant in (Ga1-XInx)2O3 Epitaxial Growth on β-Ga2O3 by Metal Organic Vapour Phase Epitaxy.
Semicond. Sci.and Technol. 30 (2015) 024013
doi:10.1088/0268-1242/30/2/024013

R. Schewski, G. Wagner, M. Baldini, D. Gogova, Z. Galazka, T. Schulz, T. Remmele, T. Markurt, H. von Wenckstern, M. Grundmann, O. Bierwagen, P.  Vogt, M. Albrecht
Epitaxial Stabilization of Pseudomorphic α-Ga2O3 on Sapphire (0001).
Applied Physics Express 8 (2015) 011101
doi:10.7567/APEX.8.011101 

M. Baldini, M. Albrecht, A. Fiedler, K. Irmscher, D. Klimm, R. Schewski and G. Wagner
Semiconducting Sn-Doped β-Ga2O3 Homoepitaxial Layers Grown by Metal-Organic Vapor-Phase Epitaxy.
J. MATER SCI 51 (2016) 3650 - 3656
doi:10.1007/s10853-015-9693-6

Arbeitsgruppe Halbleitende Oxidschichten - Methoden

Abscheidemethoden

  • Metallorganische Gasphasenepitaxie (MO-VPE)

Charakterisierungsmethoden

  • Atom-Kraft-Mikroskopie (AFM)
  • Spektroskopische Ellipsometrie (SE)
  • Scanning-Elektronenmikroskopie (SEM)

Arbeitsgruppe Halbleitende Oxidschichten - Publikationen

K. D. Chabak,. N. Moser, A. J. Green, D. E. Walker, Jr.,S. E. Tetlak, E. Heller, A. Crespo, R. Fitch, J. P. Mc Candless, K. Leedy,  M. Baldini, G. Wagner, Z. Galazka, X. Li, G. Jessen
Enhancement-Mode Ga2O3 Wrap-Gate Fin Field-Effect Transistors on Native (100) β-Ga2O3 Substrate with High Breakdown Voltage
APPL PHYS LETT 109 (2016) 213501
doi: org/10.1063/1.4967931

M. Baldini, M. Albrecht, A. Fiedler, K. Irmscher, R. Schewski, G. Wagner
Si- and Sn-Doped Homoepitaxial β-Ga2O3 Layers Grown by MOVPE on (010)-Oriented Substrates
ECS J SOLID STAT SCI TECHN 6 (2016) Q1-Q5             
doi: org/10.1149/2.0081702jss

A.J. Green, K.D. Chabak, E.R. Heller, R.C. Fitch, M. Baldini, A. Fiedler, K. Irmscher, G. Wagner, Z. Galazka,
S.E. Tetlak, A. Crespo, K. Leedy, G. H. Jessen
3.8-MV/cm Breakdown Strength of MOVPE-Grown Sn-Doped β-Ga2O3 MOSFETs.
IEEE ELECTR DEVICE L 37 (2016) 902 - 905
doi: 10.1109/LED.2016.2568139

M. Baldini, M. Albrecht, A. Fiedler, K. Irmscher, D. Klimm, R. Schewski, G. Wagner
Semiconducting Sn-Doped β-Ga2O3 Homoepitaxial Layers Grown by Metal Organic Vapour-Phase Epitaxy.
J Mater Sci 51 (2016) 3650 – 3656
doi: 10.1007/s10853-015-9693-6

E. Korhonen, F. Tuomisto, D. Gogova, G. Wagner, M. Baldini, Z. Galazka, R. Schewski, M. Albrecht
Electrical Compensation by Ga Vacancies in Ga2O3 Thin Films.
APPL PHYS LETT 106 (2015) 242103
dx.doi.org/10.1063/1.4922814

R. Schewski, G. Wagner, M. Baldini, D. Gogova, Z. Galazka, T. Schulz, T. Remmele, T. Markurt, H. von Wenckstern, M. Grundmann, O. Bierwagen, P.  Vogt, M. Albrecht
Epitaxial Stabilization of Pseudomorphic α-Ga2O3 on Sapphire (0001).
APPL PHYS EXPRESS 8 (2015) 011101
doi:10.7567/APEX.8.011101

M. Baldini, M. Albrecht, D. Gogova, R. Schewski
Effect of Indium as a Surfactant in (Ga1-XInx)2O3 Epitaxial Growth on β-Ga2O3 by Metal Organic Vapour Phase Epitaxy.
SEMICOND SCI TECH 30 (2015) 024013
doi:10.1088/0268-1242/30/2/024013

G. Wagner, M. Baldini, D. Gogova, M. Schmidbauer, R. Schewski, M. Albrecht, Z. Galazka, D. Klimm, R. Fornari
Homoepitaxial Growth of β-Ga2O3 Layers by Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy.
PHYS STATUS SOLIDI A 211 (2014) 27 - 31
doi:10.1002/pssa.20133009

D. Gogova, G. Wagner, M. Baldini, M. Schmidbauer, K. Irmscher, R. Schewski, Z. Galazka, M. Albrecht, R. Fornari
Structural Properties of Si-Doped β-Ga2O3 Layers Grown by MOVPE.
J CRYST GROWTH 401 (2014) 665 - 669
doi:10.1016/j.jcrysgro.2013.11.056

M. Baldini, D. Gogova, K. Irmscher, M. Schmidbauer, G. Wagner, R. Fornari
Heteroepitaxy of Ga2(1-X)In2xO3 Layers by MOVPE with Two Different Oxygen Sources.
CRYST RES TECHNOL 49 (2014) 552 - 557
doi:10.1002/crat.201300410

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