title: Modulation of material and electrical properties of AlGaN/GaN heterostructure and Schottky barriers in relation to GaN substrates offcut angle
title: Modulation der Material- und elektrischen Eigenschaften von AlGaN/GaN Heterostrukturen und Schottky-Barrieren in Bezug auf den Fehlorientierungswinkel von GaN Nativsubstraten
Creators: name: Faraji, Sepideh
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: GaN substrate, Epitaxy, Offcut angle, Diffusion length, Schottky barrier diode

description: Recently, there has been significant interest in GaN based electrical devices as a highly efficient power switching solution. This is due to their outstanding properties such as high current density, fast recovery time, and high breakdown field. GaN and AlN stand out for their high polar bonding character, which enables the creation of an electrically highly conductive layer known as two-dimensional electron gas (2DEG) at the interface of an AlGaN/GaN heterostructure without the need for extrinsic doping. This not only leads to a high charge carrier density but also to a high charge carrier mobility, which makes such a heterostructure an ideal candidate for High Electron Mobility Transistors (HEMTs). To fabricate AlGaN/GaN heterostructures, it is imperative to utilize GaN native substrates which provides low dislocation density. Low density of dislocations is essential in AlGaN/GaN heterostructure devices, as dislocations can act as trapping centres for charge carriers. This can lead to increased leakage currents, and charge scattering in the two-dimensional electron gas (2DEG), which in turn reduces the electron mobility in the channel. Utilizing homoepitaxial growth on GaN often yields superior epitaxial crystal quality, characterized by more than two orders of magnitude threading dislocations. Consequently, this improvement may facilitate a reduction in gate contact size due to enhanced efficiency in the active area, thereby potentially shrinking the overall device dimensions, particularly in lateral HEMT configurations [1], [2]. Such optimizations aim to maximize critical electric field strength and minimize leakage currents, as both are influenced by threading dislocations. In the past, the high cost and limited size of GaN freestanding substrates were major hindrances to the advancement of epitaxial growth and technological progress in this field. However, recent developments in seeding techniques on foreign substrates in Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) reactor have led to more affordable solutions [3]. As a result of this latest breakthrough, the availability of 100 mm GaN substrates has increased, thereby making further progress in this area. Moreover, in large-scale production, the price becomes less significant when reliability and highest performance is a concern. GaN substrates have a vicinal surface featuring a surface offcut angle. This offcut angle promotes lateral step flow growth, which could result in a smooth epitaxial surface morphology avoiding undesired surface disturbances [4], [5]. However, variations in the commercially available GaN substrate surface offcut angle across the wafer arise due to the internal lattice bow present in GaN bulk crystals. Understanding the epitaxial growth mechanism of GaN and AlGaN films in relation to GaN substrate surface morphology is critical for achieving structural and compositional uniformity while minimizing growth disturbances like macrosteps and hillocks. These disturbances can significantly impact epitaxial film quality and device performance. Despite its importance, the lack of systematic methods for micro- and nanoscale assessment of GaN and epitaxial layer surfaces remains a challenge, hindering comprehensive understanding and optimization of GaN substrate surface morphology and epitaxial growth processes. This dissertation aims to conduct a comprehensive investigation into the offcut angle uniformity of vicinal GaN substrate surfaces and their impact on epitaxial growth and the electrical characteristics of heteroepitaxial structures not only in the nanoscale but also conducted in macroscopic Schottky barrier diode as the easiest test devices. The role of GaN substrate surface properties such as roughness and defects are analysed, as they act as local surface energy barriers that can hinder the diffusion and incorporation of Al and Ga adatoms differently on the surface. The study specifically concentrates on clarifying the growth mechanism of GaN and AlGaN epitaxial films in relation to the offcut angle of the GaN substrate surface. It investigates the impact of AlGaN layer composition inhomogeneities cross-correlated to atomic step density and height on the electrical characteristics of test Schottky barrier diodes (SBDs), highlighting the Schottky barrier height modulation. Additionally, the dissertation investigates the AlGaN composition inhomogeneity at macrosteps and hillocks and its electrical influence on current conduction behavior. The manuscript is divided into three main sections, providing a comprehensive exploration of the topic. The initial section focuses on optimizing the epitaxial growth conditions of AlGaN/GaN on sapphire substrates as a reference system. This optimization involves adjusting parameters such as barrier thickness and composition to achieve a high-density two-dimensional electron gas (2DEG) at the heterostructure interface, crucial for developing high-performance HEMTs. Additionally, enhancing the crystal quality of the GaN/AlGaN heterostructure is pursued through optimizing the deposition of a GaN 3D nucleation layer, specifically focusing on the density and size of nucleation islands. Subsequently, the refined growth parameters are applied to GaN native substrates, driven by the relatively high cost of GaN substrates for initial optimization of epitaxial growth parameters. In the second part, attention turns towards GaN substrate surface preparation and the fine-tuning of homoepitaxial growth parameters, building upon the results gained from the previous section. This optimization process specifically takes into account the surface offcut angle of the GaN substrates. During the in-situ back etching process in the MOCVD reactor, crystal defects in the GaN substrates are recognized as the primary sites where desorbed Ga atoms nucleate. Threading screw dislocations are identified as one of the primary causes of GaN nanograins formation. The study then investigates the surface morphology of GaN/AlGaN epitaxial layers in relation to substrate surface offcut angle and supersaturation conditions during epitaxial growth. Optimized supersaturation conditions based on the average offcut angle of different GaN substrates are presented. Substrates with higher offcut angles required lower growth rate to minimize atomic step bunching. Additionally, the modulation of the chemical composition of AlGaN layers, influenced by atomic terrace width and density, as well as step bunching of the underlying epilayer and GaN substrate, is explored. This involves examining the relative current flow over bunched steps, where the edges of the bunched step exhibit conductive stripes. Additionally, the study investigates the impact of offcut angle variation across three distinct GaN substrates, spanning from 0.05⁰ to 0.56⁰. A state-of-the-art combined thermodynamic kinetics model is developed based on experimental findings to explore the relative diffusion length of Ga and Al atoms during AlGaN growth. It has been discovered that the Ga diffusion length is approximately half that of Al adatoms on the surface under specific epitaxial growth conditions in the MOCVD reactor. In the third part, the study investigates the influence of offcut angle variation on the electrical properties of Ni/Au Schottky barrier diodes. Through analysis of devices from different regions of a sample with varied offcut angles, it was observed that the Schottky barrier height changes by 13 meV when the offcut angle shifts from 0.29⁰ to 0.42⁰, suggesting a broader change of 50 meV when the offcut angle ranges from 0.05⁰ to 0.56⁰. Moreover, the study delves into the impact of hillocks and AlGaN composition inhomogeneities on the I-V characteristics of Schottky Barrier Diodes (SBDs), assessing their criticality on devices. The criteria for grouping were determined by the high current density at low on-voltage and excessive reverse leakage current, which were explicitly defined. It was determined that threading screw dislocations, which lead to spiral hillocks formation, did not result in complete device failures, but caused leakage current.
description: In letzter Zeit hat das Interesse an GaN-basierten elektrischen Geräten als hoch effiziente Leistungsschaltlösung deutlich zugenommen. Dies liegt an ihren herausragenden Eigenschaften wie hoher Stromdichte, schneller Erholungszeit und hoher Durchbruchfeldstärke. GaN und AlN zeichnen sich durch ihren hohen polaren Bindungscharakter aus, der die Bildung einer elektrisch hoch leitfähigen Schicht namens zweidimensionales Elektronengas (2DEG) an der Grenzfläche der AlGaN/GaN-Heterostruktur ermöglicht, ohne dass eine extrinsische Dotierung erforderlich ist. Dies führt nicht nur zu einer hohen Ladungsträgerdichte im 2DEG Kanal, sondern auch zu einer hohen Ladungsträgermobilität, was eine solche Heterostruktur zu einem idealen Kandidaten für Hochgeschwindigkeits-Elektronenmobilitätstransistoren (High Electron Mobility Transistor: HEMTs) macht. Zur Herstellung von AlGaN/GaN-Heterostrukturen ist es unerlässlich, native GaN-Substrate mit geringer Versetzungsdichte zu verwenden. Eine geringe Dichte an Versetzungen ist bei AlGaN/GaN-Heterostrukturen von entscheidender Bedeutung, da Versetzungen als Fangzentren für Ladungsträger wirken können. Dies kann zu erhöhten Leckströmen und Ladungsstreuungen im zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) führen, was wiederum die Elektronenbeweglichkeit im Kanal verringert. Die Nutzung des homoepitaktischen Wachstums auf GaN führt oft zu einer überlegenen epitaktischen Kristallqualität, die durch eine Verbesserung um mehr als zwei Größenordnungen an Versetzungen charakterisiert ist. Folglich kann diese Verbesserung z.B. eine Reduzierung der Gate-Kontaktgröße ermöglichen, aufgrund einer gesteigerten Effizienz im aktiven Bereich, wodurch potenziell die Gesamtabmessungen des elektronischen Bauelements, insbesondere bei lateralen HEMT-Konfigurationen, verringert werden könnten [1], [2]. In der Vergangenheit waren die hohen Kosten und die begrenzte Wafergröße von freistehenden GaN-Substraten wesentliche Hindernisse für Verbesserungen des epitaktischen Wachstums und des technologischen Fortschritts auf diesem Gebiet. Allerdings haben neuste Entwicklungen bei den Keimtechnologien auf fremden Substraten für die Kristallzüchtung mittels der Hydrid-Gasphasenepitaxie (HVPE) zu kostengünstigeren Lösungen geführt [3]. Als Ergebnis dieser neuesten Forschung hat die Verfügbarkeit von 100 mm GaN-Substraten zugenommen, was den Fortschritt in diesem Bereich weiter vorantreibt. Darüber hinaus wird der Preis in der Großproduktion weniger bedeutend, wenn Zuverlässigkeit und höchste Leistung eine Rolle spielen. Dennoch habe GaN-Substrate einige Unzulänglichkeiten. Für die optimale Epitaxie müssen die Waferoberflächen einen sogenannten Fehlschnitt zur kristallgraphischen Basalebene (c-Ebene) aufweisen (sogenannter Offcut-Winkel oder Fehlorientierungswinkel). Dieser Offcut-Winkel fördert das seitliche Stufenflusswachstum, was zu einer glatten epitaktischen Oberflächenmorphologie und die Bildung von ungewünschten Oberflächenstrukturen verhindert. Allerdings zeigen die kommerziell verfügbaren GaN Wafer eine große Variation im Fehlschnitt über die gesamte Waferfläche, aufgrund der internen Gitterkrümmung in GaN-Volumenkristallen. Das Verständnis des epitaktischen Wachstumsmechanismus von GaN- und AlGaN-Filmen in Bezug auf die Oberflächeneigenschaften des GaN-Substrats ist entscheidend, um strukturelle und kompositionelle Gleichmäßigkeit zu erreichen und gleichzeitig Wachstumsstörungen wie Makrostufen und Hügel (sogenannte Hillocks) zu minimieren. Diese Störungen können die Qualität epitaktischer Filme und die Leistung von elektronischen Bauelementen erheblich beeinträchtigen. Trotz ihrer Bedeutung bleibt der Mangel an systematischen Methoden zur mikro- und nanoskaligen Bewertung von GaN- und den darauf hergestellten epitaktischen Schichten eine Herausforderung. Ein umfassendes Verständnis und die Optimierung der Morphologie der GaN-Substratoberfläche und der epitaktischen Wachstumsprozesse muss daher tiefergehend studiert werden. Diese Dissertation zielt darauf ab, eine umfassende Untersuchung der Fehlorientierungswinkel-Uniformität von GaN-Substratoberflächen und deren Auswirkungen auf das epitaktische Wachstum und im Resultat die elektrischen Eigenschaften heteroepitaktischer Strukturen zu untersuchen. Dies umfasst nicht nur die Charakterisierung in Mikro- und Nanomaßstab, sondern auch in makroskopischen Schottky-Barriere-Dioden als einfachste Form elektrischer Bauelemente. Die Rolle der GaN-Substratoberflächeneigenschaften wie Rauheit und Defekte wird analysiert, da sie als lokale Oberflächenenergiebarrieren wirken können, welche die Diffusion und den Einbau von Al- und Ga-Adatomen auf der Oberfläche behindern können. Diese Dissertation konzentriert sich speziell darauf, den Wachstumsmechanismus von epitaktischen GaN- und AlGaN- Filmen im Zusammenhang mit dem Fehlorientierungswinkel der GaN-Substratoberfläche zu klären. Es wird die Auswirkung von AlGaN-Schichtzusammensetzungsungleichheiten untersucht, die mit der Dichte und Höhe von atomaren Stufen korreliert sind. Diese Zusammensetzung Inhomogenitäten in der AlGaN Barriere können die elektrischen Eigenschaften von Schottky-Dioden verändern, was anhand von Dioden Kennlinien untersucht wird, wobei die Modulation der Schottky-Barriere hervorgehoben wird. Darüber hinaus untersucht die Dissertation die AlGaN-Zusammensetzungsvariationen an Makrostufen und Hillocks und deren elektrischen Einfluss auf das Stromleitungsverhalten. Das Manuskript ist in drei Hauptabschnitte unterteilt, die eine umfassende Erkundung des Themas ermöglichen. Der erste Abschnitt konzentriert sich auf die Optimierung der epitaktischen Wachstumsbedingungen von AlGaN/GaN auf Saphirsubstraten als Referenzsystem. Diese Optimierung umfasst die Anpassung von Parametern wie Barrierendicke und -zusammensetzung, um an der Heterostrukturgrenzfläche ein hochdichtes zweidimensionales Elektronengas (2DEG) zu erreichen, welches für die Entwicklung von Hochleistungs-HEMTs entscheidend ist. Darüber hinaus wird die Kristallqualität der GaN/AlGaN-Heterostruktur durch die Optimierung der Abscheidung einer GaN-3D-Nukleationsschicht verbessert, wobei der Fokus speziell auf der Dichte und Größe der Nukleationsinseln liegt. Anschließend werden die verfeinerten Wachstumsparameter auf GaN-Nativsubstrate angewendet, was durch die relativ hohen Kosten von GaN-Substraten für die anfängliche Optimierung der epitaktischen Wachstumsparameter gerechtfertigt ist. Im zweiten Teil richtet sich die Aufmerksamkeit auf die Vorbereitung der GaN-Substratoberfläche und die Feinabstimmung der homoepitaktischen Wachstumsparameter, basierend auf den Ergebnissen des vorherigen Abschnitts. Dieser Optimierungsprozess berücksichtigt speziell den Fehlorientierungswinkel der GaN-Substrate. Schraubenversetzungen entlang der kristallographischen c-Richtung des GaN Gitters werden als eine der Hauptursachen für die Bildung von GaN-Nanokörnern identifiziert. Diese Arbeit untersucht dann die Oberflächenmorphologie von GaN/AlGaN-epitaktischen Schichten in Bezug auf den Fehlorientierungswinkel der Oberfläche der GaN-Substrate und die Übersättigungsbedingungen während des epitaktischen Wachstums. Optimierte Übersättigungsbedingungen basierend auf dem durchschnittlichen Fehlorientierungswinkel verschiedener GaN-Substrate werden präsentiert. Substrate mit höherem Fehlorientierungswinkel erforderten eine niedrigere Wachstumsrate, um das Auftreten von atomaren Stufenbündeln (Step bunching) zu minimieren. Darüber hinaus wird die Modulation der chemischen Zusammensetzung der AlGaN-Schichten untersucht, die durch die Breite und Dichte der atomaren Terrassen sowie das Step bunching der darunter liegenden Epischicht und des GaN-Substrats beeinflusst wird. Dies beinhaltet die Untersuchung des relativen Stromflusses über mehrere Stufen, wobei die Stufenkanten eine höhere Leitfähigkeit in Form von leitfähigen Streifen aufweisen. Zusätzlich untersucht die Studie die Auswirkungen der Variation der Fehlorientierungswinkel über drei verschiedene GaN-Substrate, die von 0.05⁰ bis 0.56⁰ reichen. Ein hochmodernes kombiniertes thermodynamisches und kinetisches Modell wurde basierend auf den experimentellen Befunden entwickelt, um die relative Diffusionslänge von Ga- und Al-Atomen während des AlGaN-Wachstums zu untersuchen. Es wurde festgestellt, dass die Ga-Diffusionslänge auf der Substratoberfläche unter spezifischen epitaktischen Wachstumsbedingungen im MOCVD-Reaktor etwa halb so groß ist wie die von Al-Adatomen. Im dritten Teil untersucht die Studie den Einfluss der Variation des Fehlorientierungswinkels auf die elektrischen Eigenschaften von Ni/Au-Schottky-Barriere-Dioden. Durch die Analyse von Dioden aus verschiedenen Regionen einer Probe mit unterschiedlichen Fehlorientierungswinkeln wurde beobachtet, dass sich die Schottky-Barrierenhöhe um 13 meV ändert, wenn sich der Fehlorientierungswinkel von 0.29⁰ auf 0.42⁰ verschiebt, was auf eine erhebliche Änderung in Höhe von bis zu 50 meV hinweist, wenn sich der Fehlorientierungswinkel von 0.05⁰ auf 0.56⁰ erstreckt. Darüber hinaus untersucht die Studie die Auswirkungen von Hillocks und Inhomogenitäten in der AlGaN-Zusammensetzung auf die I-V-Charakteristik von Schottky-Barriere-Dioden (SBDs) und bewertet deren Kritikalität in den Bauelementen. Die Kriterien für die Gruppierung wurden durch hohe Stromdichten bei niedriger Einschaltspannung und übermäßigen Sperrstrom definiert und explizit festgelegt. Es wurde festgestellt, dass Schraubenversetzungen, die zwar zur Bildung von spiralförmigen Hillocks führen, nicht zu vollständigen Bauelementausfällen führten. Hillocks an sich sind jedoch schädlich für die I-V Charakteristik der Dioden.