Nanostructured wide bandgap semiconductors for novel devices  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
108869
Type K
Principal investigator Pécz, Béla
Title in Hungarian Széles tiltott sávú félvezető anyagok, nanoszerkezetek és korszerű eszközök
Title in English Nanostructured wide bandgap semiconductors for novel devices
Keywords in Hungarian elektronmikroszkópia, GaN, gyémánt, HEMT tranzisztor, grafén
Keywords in English transmission electron microscopy, GaN, diamond, HEMT transistoir structure, graphene
Discipline
Material Science and Technology (electronics) (Council of Physical Sciences)40 %
Electronic Devices and Technologies (Council of Physical Sciences)40 %
Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences)20 %
Ortelius classification: Micro-technology
Panel Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent Institute of Technical Physics and Materials Science (Centre for Energy Research)
Participants Baji, Zsófia
Baji, Zsófia
Barna, Árpád
Cora, Ildikó
Dobos, László
Dózsa, László
Lábadi, Zoltán
Lábár, János
Radnóczi, György
Radnóczi, György Zoltán
Tóth, Lajos
Starting date 2014-01-01
Closing date 2017-12-31
Funding (in million HUF) 17.942
FTE (full time equivalent) 13.96
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Jelen pályázatunk célja széles tiltottsávú félvezető anyagok rétegeinek növesztése és vizsgálata. Kutatásunk célja, hogy megértsük és szabályozni tudjuk a rétegek növekedési folyamatait. A hibaszerkezet, a morfológia, a szennyezők közti összefüggések megértése alapkutatás, ami az OTKA támogatási célja, ugyanakkor a téma a jövőben jobb félvezető eszközöket is eredményezhet.
Kutatási tervünk felöleli a kristályos ZnO növesztését egykristály hordozókra (zafír, Si, SiC, GaN és gyémánt). Meghatározzuk az orientált, egykristály rétegek növesztéséhez szükséges optimális paramétereket. A kísérletek egyben p/n átmeneteket is adnak, ha a növesztést p-típusú hordozón végezzük.
Nitrid rétegek növesztése egykristály gyémánton olyan rétegszerkezeteket fog nyújtani, amelyekből nagyteljesítményű tranzisztorok készíthetők és ezek hőelvezetése is megoldott a gyémánt által. Mikroszkópiával meghatározzuk melyik a legkedvezőbb gyémánt orientáció, amelyen növesztett nitrid rétegekben a hibasűrűség a legalacsonyabb. Ezen kísérleteket polikristályos, nagy átmérőjű gyémánt szeleteken is megismételjük.
Grafént, mint egy speciális maszkoló réteget fogunk használni SiC-on, hogy azon a nitrid rétegek ELO (Epitaxial Lateral Growth) növekedését érjük el. Grafént, mint egy diffúziós barriert alkalmazzuk az egyébként reaktív kontaktusokban SiC-don.
Tanulmányozzuk a ternér nitrid rétegek növekedési mechanizmusát és meghatározzuk azokat a paramétereket, amelyek mellett ezek kétkomponensű szuperrácsokká alakulhatnak.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Kutatásunk alapkérdése, hogy hogyan tudunk újszerű rétegszerkezeteket növeszteni, amik aztán félvezető eszközökben az eddigieknél jobb paramétereket és hosszabb élettartamot mutatnak. A projekt egyik kiinduló hipotézise, hogy p/n átmenet készíthető ZnO-ból és a megfelelően adalékolt hordozóból.
Ugyancsak feltesszük, hogy jó minőségű GaN rétegek növeszthetők a nagyon jó hővezetéssel rendelkező gyémánton és, hogy a két anyag kombinációja megoldhatja az igen nagy teljesítményű GaN alapú tranzisztorok hő disszipációját. Megpróbáljuk a grafént egy sajátos barrier anyagként használni. Meg kívánjuk határozni, hogy az ALD ZnO rétegek minőségét mely leválasztási paraméterek befolyásolják, hogyan és optimalizálni fogjuk ezeket. Tanulmányozunk ternér nitrid rétegeket, amikben arra vagyunk kíváncsiak, hogy milyen paraméterek mellett lehetséges az alkotók kétkomponensű szétválása és hogyan kaphatunk szuperrács rétegeket önszervező módon.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatással új ismereteket szerezhetünk a félvezető anyagok nanométer skálájú növekedéséről. Az utóbbi időben az alapkutatási eredmények hasznosítása ezen a területen igen felgyorsult. A karakterizációs technikák forradalmai megújulása (pl. Cs korrigált TEM) hathatósan támogatta ezt a folyamatot.
Az ALD egy egyszerű és igen megbízható technika, melyet elsősorban amorf és polikristályos bevonatok készítésére fejlesztettek ki. Mi egykristály ZnO réteget szeretnénk készíteni vele. Ez nyilván hasznosítható lenne főleg az optoelektronika terén.
A nitrid rétegek maszk feletti oldalirányú növesztése (ELO) ma már jól ismert és bevált módszer. A nemrég felfedezett grafén ebben való felhasználása több hasznot is ígér. Mivel a grafén egy diffúziós barrier anyag, ezért a SiC reaktív kontaktusaiban való felhasználása is igen ígéretes.
Mára tudjuk, hoyg egykristály gyémánton jó minőségű GaN növeszthető. Amennyiben ez a sokkal olcsóbb és 2”-es szeletekben is elérhető polikristályos gyémánton is megvalósítható, akkor ez reális felhasználást eredményezhet. Nagyon sok III-V nitrid félvezetőben növesztenek kifinomult módszerekkel multirétegeket (szuperrácsokat). Ha sikerül ternér rétegek növesztését olyan paraméterek mellett végrehajtanunk, hogy azok kétkomponensű rétegekké váljanak szét önszerveződő módon, akkor ez a félvezető rétegszerkezetek elkészítésében hozhat nagy előrelépést.
Jelen kutatás a fentiek értelmében új szerkezeteket eredményezne, amelyek ipari alkalmazási lehetősége világosan látható.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Terveinkben szerepel a ZnO előállítása egyszerű módszerekkel jó minőségű réteg formájában különböző hordozókon, lehetőleg egykristály rétegként optoelektronikai alkalmazások céljára.
A gyémánt extrém hővezetését fogjuk kihasználni az arra növesztett félvezető eszközökben. Tesztelni akarjuk a grafént, úgyis mint a nitrid félvezető rétegek növekedését befolyásoló eszközt a hordozón és úgyis, mint a nagyteljesítményű SiC alapú eszközök kontaktusainak elemét. Önszerveződő módon kialakuló szuperrácsokat fogunk vizsgálni. Az előállított eszközök nanoszerkezetét transzmissziós elektronmikroszkópiával fogjuk vizsgálni atomi felbontású képekkel és nanométeres skálájú elemeloszlási térképekkel.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The subject of the present proposal is the growth and characterisation of layered wide bandgap semiconductor materials. Our goal is to understand and influence the layer growth mechanism. The deep understanding of the relationship between the defect structure, morphology, possible contaminations etc. is in the scope of OTKA, what supports basic science, but in the same time with this background to future device development can result in better devices.
Our experiments include the deposition of highly crystalline ZnO layers onto single crystalline substrates like sapphire, Si, SiC, GaN and diamond. We would like to determine the optimum parameters to get oriented, preferably single crystalline layers on the substrates. This also provides a way to make p/n junctions when the substrate has p-type doping.
Nitride layers will be grown on diamond and the high quality, single crystalline nitride will provide high power transistor structures for which the good heat dissipation is supported by the diamond substrate. Our microscopy will determine what is the most appropriate diamond orientation, which are the growth parameters at which the lowest number of defects are formed in the nitride layers. These experiments will be repeated on large polycrystalline diamond wafers as well.
Graphene will be used as a special masking layer on SiC in order to achieve epitaxial lateral overgrowth of nitrides on SiC. We also will apply graphene as a diffusion barrier layer in the otherwise reactive high temperature contacts to SiC.
Growth of ternary nitrides will be studied and parameters will be determined at which the ternary layers can separate into superlattices of binary layers.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The basic question of our research is how we can grow novel layers, which can provide semiconductor device structures with improved parameters and longer lifetime. One of the starting idea of the project is that it is possible to make p/n junctions from ZnO deposited onto substrate doped for p-type. We also suppose, that high quality GaN layers can be grown on diamond, which has very high heat conductivity and the combination of the two material can solve the heat dissipation problem of high power GaN based transistors. We will try to use graphene as a special barrier material. We would like to determine the parameters which influence the quality of the grown ZnO and we will optimise them. We will study ternary layers and figure out how these can separate to binary layers of the components and how we can get superlattices in a self-organised way.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The planned research will extend our knowledge about semiconductor crystal growth on the nanometer scale. Recently the application of basic science results is very fast, new methods and materials spread quickly. The characterization techniques appeared in the last couple of years (for example Cs corrected TEM) supports this very effectively.
ALD is a simple and reliable process to grow uniform, what was developed first for the deposition of amorphous and polycrystalline coatings. We are going to deposit single crystalline ZnO layers using ALD. The application area of those layers is clear in the field of optoelectronics.
ELO growth of nitrides is already well known and widely used technique. Recently we learned that graphene seems to inhibit epitaxial growth of nitrides and these results suggest using graphene as a masking material in the ELO process on SiC substrates. Graphene, as adiffusion barrier can be also very useful in the presently known reactive contacts to SiC.
Today we know that it is possible to grow high quality GaN on single crystalline diamond. In the case this can be realised on much cheaper 2” large polycrystalline wafers of diamond as well, then this can result in a real application. Multilayers (superlattices) are grown in many III-V nitride semiconductors using sophisticated techniques. In the case we could grow ternary layers in a way that those would separate into the binary layers of the components then we could make a substantial step in the growth of semiconductor layers.
The above described research will provide new structures, which clearly promises industrial applications.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
We plan to grow ZnO layers on different substrates to obtain high quality, preferably single-crystaline layers for optoelectronic applications. We will grow wide bandgap semiconductors on diamond to make use of diamonds extreme heat conductivity in high power devices. We will test graphene as a substrate modification layer for III-nitride growth and as a component of electric contact layers in high power SiC based semiconductor devices. We will investigate self organizing III-nitride multilayer structures.
The nanostructure of the layers/devices will be characterised by transmission electron microscopy with images at the atomic resolution and with nanometer scale elemental maps.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A félvezető eszközök terén végzett anyagtudományi kutatásunk leginkább a GaN-re koncentrált. GaN kontaktusait és MOS szerkezeteket is tanulmányoztunk. Ni/Au/GaN kontaktusokban megfigyelt barrier inhomogenitásra magyarázatot adtunk. Meghatároztuk a diszlokáció sűrűséget különböző hordozókra növesztett GaN HEMT rétegekben és ezeket összehasonlítottuk. Megmutattuk, hogy jó minőségű HEMT tranzisztor szerkezetek sikeresen növeszthetők egykristály gyémántra, a gyémánt az eszköz működés közbeni felmelegedését megakadályozza. A polikristályos gyémánt esetében megmutattuk azt, hogy a síkban történő hővezetése a növesztett réteg első 500 nm-ben mindössze harmada a következő 500 nm-ének. Sikeresen növesztettünk megmintázott grafén/SiC hordozóra nitrid rétegeket, amelyeket részletesen vizsgáltunk a néhány réteg grafénnal egyetemben. Zafírra növesztett Ga2O3 –ot (bandgap ~4.7 eV) vizsgáltunk és in situ hőkezeléseket hajtottunk végre TEM-ben, hogy tanulmányozzuk a κ→β szerkezeti átalakulást. 900 °C felett a teljes réteg  fázissá alakul. 16 tudományos cikket publikáltunk, egy benyújtva, egy másik készül a project köszönetnyilvánításával.
Results in English
Our research is a material science project with the subject of semiconductor devices. Most of the work was concentrated on GaN (and related devices. We studied contacts to GaN and MOS structures as well. We could explain the barrier inhomogeneity in Ni/Au/GAN contacts. The defect density in GaN HEMTs was determined and the layers grown on different substrates including bulk GaN were compared. We have shown that high quality HEMT transistor structures can be grown directly onto single crystalline diamond, what is promising solution for the self-heating problems. On the other hand, studying the thermal and microstructural properties of polycrystalline diamond deposited onto the top of devices we have pointed out strong limitations. The in plane thermal conductivity of the first 500 nm near the nucleation surface can be three times smaller than the in-plane thermal conductivity of the next 500 nm. We successfully grew GaN over patterned graphene/SiC templates and made a detailed characterization of the nucleation and the few layer graphene as well. Ga2O3 (bandgap ~4.7 eV) was grown onto sapphire and studied in detail. In situ heating was also done in TEM in order to follow the κ→β structural transformation. A complete transition to β-phase is observed for annealing temperatures ≥900 °C. 16 scientific papers were published, one is submitted and one is in preparation with an acknowledgment to the project.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108869
Decision
Yes





 

List of publications

  
L. Kotis, S. Gurban, B. Pecz, M. Menyhard, R. Yakimova: Determination of the thickness distribution of a graphene layer grown on a 2″ SiC wafer by means of Auger electron spectroscopy depth profiling, Applied Surface Science, 316, 301-307, 2014
András Kovács, Martial Duchamp, Rafal E. Dunin-Borkowski, Rositza Yakimova, Péter L. Neumann, Hannes Behmenburg, Bartosz Foltynski, Cristoph Giesen, Michael Heuken and Béla Pécz: Graphoepitaxy of High-Quality GaN Layers on Graphene/6H–SiC, Advanced Materials Interfaces Volume 2, Issue 2, January 21, 2015, 2015
Tóth L, Pécz B, Rossi S, Alomari M, Kohn E, Anaya J, Kuball M: Microscopy of nanocrystalline diamond films, Proceedings of 18th International Microscopy Congress September 7-12, 2014, Prague, Czech Rep. Paper M, 2014
Ákos K. Kiss, Edgar F. Rauch, Béla Pécz, János Szívós and János L. Lábár: A Tool for Local Thickness Determination and Grain Boundary Characterization by CTEM and HRTEM Techniques, Microscopy and Microanalysis / Volume 21 / Issue 02 / April 2015, pp 422-435, 2015
B Pécz, L Tóth, G Tsiakatouras, A Adikimenakis, A Kovács, M Duchamp, R E Dunin-Borkowski, R Yakimova, P L Neumann, H Behmenburg, B Foltynski, C Giesen, M Heuken and A Georgakilas: GaN heterostructures with diamond and graphene, Semicond. Sci. Technol. 30 (2015) 114001 (6pp), 2015
Herwig Hahn, Béla Pécz, András Kovács, Michael Heuken, Holger Kalisch and Andrei Vescan: Herwig Hahn, Béla Pécz, András Kovács, Michael Heuken, Holger Kalisch and Andrei Vescan, J. Appl. Phys. 117 (21), (2015) 214503, 2015
Nikolay G. Galkin, Konstantin N. Galkin, Dmitrii L. Goroshko, Igor M. Chernev, Alexander V. Shevlyagin, László Dózsa, Zoltán Osváth, and Béla Pécz: Non-doped and doped Mg stannide films on Si(111) substrates: Formation, optical, and electrical properties, Japanese Journal of Applied Physics 54, 07JC06 (2015), 2015
Julian Anaya, Stefano Rossi, Mohammed Alomari, Erhard Kohn, Lajos Tóth, Béla Pécz, Martin Kuball: Thermal Conductivity of Ultrathin Nano-Crystalline Diamond Films Determined by Raman Thermography Assisted by Silicon Nanowires, Appl. Phys. Lett. 106, 223101 (2015), 2015
Julian Anaya, Stefano Rossi, Mohammed Alomari, Erhard Kohn, Lajos Toth, Bela Pecz, Karl D. Hobart, Travis J. Anderson, Tatyana I. Feygelson, Brad B. Pate, Martin Kuball: Control of the in-plane thermal conductivity of ultra-thin nanocrystalline diamond films through the grain and grain boundary properties, Acta Materialia, Volume 103, 15 January 2016, Pages 141-152, 2016
G. Z. Radnóczi, E. Dodony, G. Battistig, N. Vouroutzis, P. Kavouras, J. Stoemenos, N. Frangis, A. Kovács and B. Pécz: Structural characterization of nanostructures grown by Ni metal induced lateral crystallization of amorphous-Si, , J. Appl. Phys. 119, 065303 (2016); http://dx.doi.org/10.1063/1.4941349, 2016
M. Bosi, G. Attolini, M. Negri, C. Ferrari, E. Buffagni, C. Frigeri, M. Calicchio, B. Pécz, F. Riesz, I. Cora, Z. Osváth, L. Jiang and G. Borionetti: Defect structure and strain reduction of 3C-SiC/Si layers obtained with the use of a buffer layer and methyltrichlorosilane addition, CrystEngComm 2016, 18, 2770–2779, 2016
Ákos K. Kiss and János L. Lábár: Determining Projections of Grain Boundaries from Diffraction Data in Transmission Electron Microscope, Microsc. Microanal. 22, 551–564, 2016, 2016
Herwig Hahn, Béla Pécz, András Kovács, Michael Heuken, Holger Kalisch and Andrei Vescan: Controlling the interface charge density in GaN-based metal-oxide-semiconductor heterostructures by plasma oxidation of metal layers, J. Appl. Phys. 117 (21), (2015) 214503, 2015
Tapajna, Milan; Valik, Lukas; Gucmann, Filip; Gregusova, D; Frohlich, K; Hascik, S; Dobrocka, E; Toth, L; Pecz, B; Kuzmik, J: . Low-temperature atomic layer deposition-grown Al2O3 gate dielectric for GaN/AlGaN/GaN MOS HEMTs: Impact of deposition conditions on interface state density, JOURNAL OF VACUUM SCIENCE & TECHNOLOGY B Volume: 35 Issue: 1 Article Number: 01A107, 2017
Ťapajna M, Stoklas R, Gregušová D, Gucman F, Hušeková K, Haščík Š, Fröhlich K, Tóth L, Pécz B, Brunner F, Kuzmík J: Investigation of ‘surface donors’ in Al2O3/AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor heterostructures: Correlation of electrical, structural, and chemical properties, Applied Surface Science 426, 656-661, 2017
R. Fornari, M. Pavesi, V. Montedoro, D. Klimm, F. Mezzadri, I. Cora, B. Pécz, F. Boschi, A. Parisini, A. Baraldi, C. Ferrari, E. Gombia, M. Bosi: Thermal stability of ε-Ga2O3 polymorph, Acta Materialia 140, 411-416, 2017
Radnoczi, Gyorgy Zoltan; Knez, Daniel; Hofer, Ferdinand; Frangis, N; Vouroutzis, N; Stoemenos, J; Pecz, B: Inclusions in Si whiskers grown by Ni metal induced lateral crystallization, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Volume: 121 Issue: 14 Article Number: 145301, 2017




 

Events of the project

  
2015-09-16 12:33:54
Résztvevők változása
2015-08-25 19:58:52
Résztvevők változása



Back »