Einem Forschungsteam ist es erstmals gelungen, mithilfe der Epitaxie einkristalline, polare Wurtzit-NbAlN-Dünnschichten auf GaN-Substraten aufwachsen zu lassen. Damit konnte gezeigt werden, dass NbAlN zu einer bisher unbekannten Klasse von Übergangsmetall-haltigen polaren Nitrid-Halbleitern gehört.
Mithilfe der reaktiven Sputter-Epitaxie züchteten die Forscher unter der Leitung von Associate Professor Atsushi Kobayashi des Fachbereichs Materialwissenschaft und -technologie der Tokyo University of Science (TUS) NbAlN-Schichten mit einem Nb-Gehalt von 11 bis 37 Prozent auf GaN. Schichten mit bis zu 25 % Nb behielten eine glatte Oberfläche und eine kohärente Wurtzit-Kristallstruktur bei, die auf das GaN ausgerichtet war. Die Probe mit 37 % Nb wies hingegen eine deutliche Oberflächenrauheit und eine verschlechterte Kristallqualität auf. Die Röntgenbeugung zeigte außerdem, dass der Gitterparameter außerhalb der Ebene mit steigendem Nb-Gehalt systematisch zunahm.
Die Beobachtungen an einem etwa 25 nm dicken NbAlN-Film mit 23-prozentigem Nb-Gehalt zeigten im untersuchten Bereich dieselbe metallisch-polare Stapelung wie das darunterliegende GaN. Die Forscher fanden zudem kohärente, Nb-reiche Bereiche im Nanomaßstab. Trotz dieser Zusammensetzungsschwankungen blieb das wurtzitische Gitter durchgehend erhalten, ohne Korngrenzen oder eine entspannte Sekundärphase.
Um die funktionalen Auswirkungen zu bewerten, fügten die Forscher eine NbAlN-Sperrschicht in eine AlGaN/AlN/GaN-Referenzheterostruktur ein und bildeten so einen NbAlN/AlGaN/AlN/GaN-Stapel. Die optimierte NbAlN-Heterostruktur zeigte eine mehr als dreifache Erhöhung der Flächenelektronendichte bei gleichbleibender Mobilität bei Raumtemperatur.
Diese Ergebnisse sind für Forscher und Hersteller von GaN-Materialien und Leistungs-/HF-Halbleiterbauelementen relevant. In zukünftigen Arbeiten werden die Polarisationskonstanten und die Bandausrichtung von NbAlN gemessen sowie Grenzflächen- und Verunreinigungseffekte genauer untersucht. Ferner sollen Transistoren hergestellt werden, um zu ermitteln, wie sich die Barriere auf die Leistung von GaN-Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs) auswirkt. (jr)
