Investigation of advanced GaN HEMTs for digital and high frequency applications Die physikalischen Eigenschaften des Galliumnitrid (GaN) und der darauf basierenden Materialien eignen sich besonders zur Herstellung von leistungselektronischen Bauelementen. Die große Bandlücke und hohe elektrische Durchbruchfeldstärke von GaN in Kombination mit einem zweidimensionalen Elektronengas hoher Dichte durch induzierte Polarisation in der AlGaN GaN Grenzfläche ermöglicht die Entwicklung von Transistoren mit hohen Sperrspannungen niedrigen Durchlasswiderständen und niedrigen Schaltladungen. Die aus herkömmlichen GaN HEMTs hergestellten Transistoren haben jedoch bereits ihre Leistungsgrenze erreicht. Um die zukünftigen Bedürfnisse von leistungselektronischen Bauelementen zu erfüllen werden Forschungen zu nichtklassischen HEMT Konzepten zum Beispiel Superjunction GaN HEMT PNT GaN HEMTs oder zu neuartigen Barrierematerialien durchgeführt. Diese Arbeit will die GaN Technologie durch neue Ansätze in Design und Charakterisierung hocheffizienter GaN Transistoren vorantreiben um ihr volles Potential zu entfalten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es verschiedene nichtklassische GaN HEMT Konzepte hinsichtlich ihrer Performance sowie ihrer Eignung für zukünftige Logik leistungselektronisch und RF Anwendungen zu bewerten und ihren Designspielraum einzugrenzen. Die Untersuchungen basieren auf numerischen Bauelementesimulationen unter Zuhilfenahme analytischer Berechnungen. Es wird gezeigt dass das einfache und robuste Drift Diffusionsmodell für die Simulation solcher nichtklassischen Bauelemente geeignet ist. Die Koexistenz von zweidimensionalen Elektronen und Löchergasen in GaN basierten Heterostrukturen wird mittels analytischer Modelle die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden und selbstkonsistenten numerischen Lösungen der Schrödinger und Poisson Gleichungen untersucht. Es kann gezeigt werden dass für bestimmte Kombinationen von Bias Bedingungen und Schichtdesign koexistierende 2DEGs und 2DHGs in GaN AlGaN GaN Strukturen gebildet werden können wobei sich das 2DHG an der Grenzfläche zwischen Grenzfläche und Grenzfläche befindet. Sobald ein 2DHG erzeugt ist nimmt der Effekt der Gate Spannung auf das 2DEG schnell ab und eine Sättigung der 2DEG Dichte wird beobachtet. Außerdem ist es in Strukturen mit dünnen Barrieren viel schwieriger ein 2DHG selbst für große Oberflächenpotentiale zu erzeugen. Die Formierung eines zweiten Kanals in AlGaN GaN AlGaN GaN Heterostrukturen wurde untersucht. Es wurde gezeigt dass für bestimmte Kombinationen von Bias Bedingungen und Schichtdesign koexistierende zwei Kanäle in AlGaN2 GaN2 AlGaN1 GaN1 Strukturen gebildet werden können wobei sich beide Kanäle am AlGaN1 GaN1 und AlGaN2 GaN2 befinden. Sobald der zweite Kanal erzeugt ist nimmt die Wirkung der Gate Spannung auf das erste 2DEG schnell ab und eine Sättigung des Drain Stroms wird beobachtet. Besondere Aufmerksamkeit wurde auf einen neuartigen Inverter mit vertikalem Aufbauen gelegt indem diese zwei Kanäle verwendet wurden. Andererseits konzentrieren sich theoretische Untersuchungen von AlGaN GaN HEMT Strukturen für leistungselektronische Anwendungen auf die Abschätzung von Oxidgrenzflächenladungen in MIS HEMT Strukturen und es werden zwei Simulationsstudien zu alternativen selbstsperrenden HEMT Konzepten vorgestellt. Die Untersuchung von Oxidgrenzflächenladungen basiert auf einem Vergleich von gemessenen und simulierten Schwellenspannungen experimenteller HEMTs mit und ohne Al2O3 Schicht unter dem Gate. Wir finden dass in beiden Fällen die geschätzte Oxidgrenzflächenladung die gleiche ist. Darüber hinaus entwickelten wir ein einfaches analytisches Schwellenspannungsmodell für die MIS HEMT Struktur mit dem die Grenzflächenladung mit einem Taschenrechner abgeschätzt werden kann. Wir schlagen auch einen neuen Ansatz vor bei dem die Wirkung einer p dotierten Deckschicht mit der eines Gateoxids kombiniert wird um einen selbstsperrenden HEMT zu erreichen. Wir konzentrieren uns auf die von Ota et al. mit 1D Schrödinger Poisson Simulationen. Insbesondere zeigt unser analytisches Modell dass die Schwellenspannung unabhängig von der Dicke sowohl der PNT Schicht als auch der gespannten GaN Kanalschicht ist. Darüber hinaus diskutieren wir Optionen zur Erhöhung der Elektronendichte in den ungesteuerten (ungated) Bauelementbereichen um die Source Drain Widerstände zu reduzieren. Darüber hinaus werden gated kubische InGaN InN Heterostrukturen für die Anwendung in InN basierten Transistoren mit hoher Elektronenmobilität theoretisch untersucht. Die Bildung zweidimensionaler Trägergase in InGaN InN Strukturen wird im Detail untersucht und Designprobleme für die InGaN Barriere untersucht. Es wird gezeigt dass für bestimmte Oberflächenpotentiale eine unerwünschte Sättigung der Schichtdichte des Elektronengases in der InN Kanalschicht auftreten kann. Optionen zur Verbesserung der Elektronendichte in den Kanal und Oberflächenpotentialbereichen für einen geeigneten Transistorbetrieb werden vorgestellt. Abschließend wird die Bildung zweidimensionaler Elektronengase (2DEGs) in gitterangepassten AlScN GaN und AlYN GaN Heterostrukturen durch numerische selbstkonsistente Lösungen der Schrödinger und Poisson Gleichungen untersucht. Die Elektronenkonzentrationsprofile und die resultierenden 2DEG Schichtdichten in diesen Heterostrukturen werden berechnet und mit denen verglichen die an AlGaN GaN Grenzflächen auftreten. Die kombinierte Wirkung der stark polarisationsinduzierten gebundenen Ladungen und der großen Leitungsbandoffsets an den AlScN GaN und AlYN GaN Heteroübergängen führt zur Bildung von 2DEGs mit sehr hohen Elektronendichtedichten. Für die AlScN GaN und AlYN GaN Heterostrukturen werden 2DEG Schichtdichten von etwa 4 bis 5 mal so groß wie für Al0 3Ga0 7N GaN Strukturen berechnet. Unsere Ergebnisse demonstrieren das Potenzial von AlScN und AlYN Barrieren für GaN basierte Transistoren mit hoher Elektronenmobilität.