Cornell University / Galliumnitrid Effizientes zweidimensionales Löchergas machbar

Messungen am zweidimensionalen Löchergas in einem Galliumnitrid-Halbleiter.
Messungen am zweidimensionalen Löchergas in einem Galliumnitrid-Halbleiter.

Heutige GaN-Leistungstransistoren leiten Ströme mithilfe eines zweidimensionalen Elektronengases. Die Leitung mithilfe von Löchern galt bislang als ineffizient. Nun haben Forscher der Cornell University eine Methode entdeckt, wie sich ein effizientes zweidimensionales Löchergas erzeugen lässt.

Um Löcher zu erzeugen, dotieren Forscher Galliumnitrid (GaN) seit den 1990-er Jahren mit Magnesium. Allerdings ist der Prozess sehr ineffizient. Je hundert in den Kristall eingebrachte Magnesiumatome entstehen bei Raumtemperatur nur drei oder vier Löcher, bei niedrigen Temperaturen noch weniger.

Anstatt solche Dotierstoffe zu verwenden, stapelte der Doktorand Reet Chaudhuri an der Cornell University eine dünne Schicht Galliumnitrid – einen sogenannten Quantentopf – auf einen Aluminiumnitrid-Kristall (AlN). Dabei stellte sich heraus, dass die unterschiedlichen Kristallstrukturen eine hohe Dichte an mobilen Löchern erzeugen. Dadurch entsteht im Kristall ein zweidimensionales Löchergas, sodass die entstandenen GaN-Strukturen fast zehnmal leitfähiger sind als bei einer Dotierung mit Magnesium.

»1992 entdeckten Forscher, dass freie Elektronen an der Grenzfläche entstehen, wenn Aluminiumnitrid auf Galliumnitrid aufgebracht wird – das sogenannte zweidimensionale Elektronengas (2DEG). Die Elektronenleitung innerhalb von GaN bewirkt, dass wir n-leitende Strukturen herstellen können«, sagt Chaudhuri, der Hauptautor der Studie. »Die Polarisationstheorie, die erklärt, warum wir mobile Elektronen in dieser Struktur bekommen, postulierte schon Ende der 1990-er Jahren, dass wir beim Spiegeln der Struktur freie Löcher erwarten könnten. Bislang gab es jedoch keine Berichte über Löcher in einer undotierten Typ-III-Nitrid-Halbleiterstruktur. Und das ist es, was wir nun in dieser Arbeit gefunden haben.«

Unter Verwendung der neuen Materialstruktur, die Chaudhuri und Samuel James Bader entwickelt haben, wurden kürzlich in einem Gemeinschaftsprojekt mit Intel einige der effizientesten p-leitenden GaN-Transistoren vorgestellt. Da das Team nun solche Halbleiterstrukturen herstellen kann, plant es, diese mit bereits verfügbaren n-leitenden Transistoren zu kombinieren, um komplexere Schaltungen zu aufzubauen. Dies kann neue Möglichkeiten bei der Wandlung hoher Leistungen, der 5G-Mobilfunktechnik und der energieeffizienten Elektronik – einschließlich Ladegeräte – eröffnen.

»Es ist äußerst schwierig, in einem Halbleiter mit großer Bandlücke gleichzeitig n- als auch p-leitende Halbleiterstrukturen zu realisieren. Im Moment ist Siliziumkarbid das einzige andere Material, das neben GaN beides aufweist. Aber in SiC sind die Elektronen weniger mobil als in Galliumnitrid«, sagte Co-Autorin Huili Grace Xing, William L. Quackenbush-Professorin für Elektro- und Computertechnik sowie Werkstofftechnik. »Mit diesen komplementären Verfahren, wie wir es aus der Silizium-CMOS-Technik kennen, kann nun eine wesentlich energieeffizientere Architektur aufgebaut werden.«

Ein weiterer Vorteil des zweidimensionalen Löchergases ist, dass die Leitfähigkeit mit sinkender Temperatur steigt. Dadurch können Forscher nun grundlegende GaN-Eigenschaften auf eine Weise untersuchen, die bisher nicht möglich war. Ebenso wichtig ist die Fähigkeit, Energie zu binden, die sonst in weniger effizienten Energiesystemen verloren gehen würde.

Originalpublikation

R. Chaudhuri, et al., A Polarization-Induced 2D Hole Gas in Undoped Gallium Nitride Quantum Wells, Science  27. Sep 2019, Vol. 365, Issue 6460, pp. 1454-1457 DOI: 10.1126/science.aau8623