Nachwuchs-Forschungsgruppe "All-GO-HEMT"

Die halbleiterbasierte Leistungselektronik ist eine Schlüsseltechnologie zur Lösung einer der größten gesellschaftlichen Herausforderung – der nachhaltigen Energieerzeugung/Energieumwandlung. Neben der Umstellung der Energieerzeugung auf erneuerbare und dezentrale Quellen ist die effiziente Nutzung von Energie der wichtigste Hebel um die Nachhaltigkeitsziele im Energiebereich zu erreichen. Effizientere Leistungselektronik trägt nicht nur zur Reduzierung schädlicher Emissionen durch effizientere Nutzung von Energie bei, sondern erhöht auch die Wirtschaftlichkeit energieintensiver Prozesse. Das Projekt „All-GO-HEMT“ zielt daher auf eine erhebliche Effizienzsteigerung in der Leistungselektronik durch die Entwicklung von β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃-Heterostrukturen mit hoher Elektronenbeweglichkeit ab. Unter der Leitung von Dr. Andreas Fiedler legt das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen des Nachwuchsprogramms NanoMatFutur geförderte Projekt All-GO-HEMT (03XP0630) einen wesentlichen Grundstein im Bereich Wissenschaft für Technologiesouveränität.

Für die Umsetzung des Forschungsvorhabens ist ein hohes Maß an Interdisziplinarität unabdingbar. All-GO-HEMT realisiert dies durch eine Kompetenzverzahnung der IKZ Arbeitsbereiche Elektrische Charakterisierung, Epitaxie und Elektronenmikroskopie. Konkret soll im Projekt erstmalig ein β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃ Heteroepitaxieprozess mittels MOVPE (Metallorganische Gasphasenepitaxie) mit homogener Schichtdicke, glatter Grenzfläche, hohem Aluminiumgehalt und Delta-Dotierung über die gesamte Substratgröße von bis zu 2-Zoll entwickelt werden.

Die strukturellen Eigenschaften der epitaktischen Schichten werden mittels modernster elektronenmikroskopischer Methoden untersucht, welche die Korrelation von atomarer Strukturabbildung mit atomarer chemischer Abbildung, der Analyse der elektronischen Struktur und elektrischen Feldverläufen ermöglichen. Die Evaluierung des Materials für die Nutzung in der Leistungselektronik wird durch die Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften durchgeführt. Um wichtige elektrische Kenndaten der Strukturen in Abhängigkeit von den Wachstumsbedingungen zu bestimmen, wie z.B. die freie Ladungsträgerkonzentration und -beweglichkeit, die Konzentrationen von Dotierstoffen und kompensierenden Defekten kommen Stromtransport- und kapazitive Messungen zum Einsatz. Unsere Erfahrung zeigt, dass die elektrischen Eigenschaften die Perfektion der Schicht sehr empfindlich charakterisieren. Eine schnelle Rückkopplung zwischen elektrischen Messungen zur Epitaxie ist essentiell um die Materialqualität zu optimieren.

Die gezielte Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit ist auch für andere Halbleiterkristalle notwendig welche in der Bauelementtechnologie der modernen Elektronik Anwendung finden. Daher werden unsere Charakterisierungsmethoden zur Bestimmung der elektrischen Eigenschaften, wie Leitfähigkeits- und Hall-Effekt-Messungen (50 mK - 1100 K), Deep-Level-Transient-Spektroskopie (DLTS) (20 K - 800 K) und photothermische Ionisationsspektroskopie sowie die Kontaktpräparation kontinuierlich angepasst und erweitert, um den unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen Halbleiterkristalle gerecht zu werden, z.B. durch zusätzliche Photoanregung.

Darüber hinaus konzentriert sich die Nachwuchsgruppe auf den Technologietransfer in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern, um wissenschaftliche Errungenschaften der Gesellschaft zugänglich zu machen.

Andreas Fiedler, Robert Schewski, Michele Baldini, Zbigniew Galazka, Günter Wagner, Martin Albrecht, Klaus Irmscher
Influence of incoherent twin boundaries on the electrical properties of β-Ga₂O₃ layers homoepitaxially grown by metal-organic vapor phase epitaxy
J. Appl. Phys. 122, 165701 (2017).
DOI: 10.1063/1.4993748

Andreas Fiedler, Robert Schewski, Zbigniew Galazka, Klaus Irmscher
Static dielectric constant of β-Ga₂O₃ perpendicular to the principal planes (100),(010), and (001)
ECS Journal of Solid State Science and Technology, 8 (7) Q3083-Q3085 (2019).
DOI: 10.1149/2.0201907jss

Palvan Seyidov, Joel B Varley, Ymir Kalmann Frodason, Detlef Klimm, Lasse Vines, Zbigniew Galazka, Ta‐Shun Chou, Andreas Popp, Klaus Irmscher, Andreas Fiedler
Thermal Stability of Schottky Contacts and Rearrangement of Defects in β-Ga₂O₃ Crystals
Adv. Electron. Mater. 11, 2300428, (2025).
DOI: 10.1002/aelm.202300428