Halbleiter mit breiter Bandlücke haben in den letzten Jahren verstärkt das Interesse der Halbleiterindustrie wie auch der angewandten Forschung auf sich gezogen. Aufgrund ihrer theoretisch überlegenen Materialeigenschaften gegenüber Silizium erlauben sie eine Verbesserung der Eigenschaften der daraus gefertigten Bauelemente. Die Zusammensetzung von Galliumnitrid (GaN) und Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) erlaubt einerseits eine hohe Durchbruchsspannung und eine gute thermische Leitfähigkeit und andererseits eine ausgezeichnete Elektronenbeweglichkeit. Diese einzigartige Kombination macht GaN/AlGaN zu einem bestens geeigneten Materialsystem für Leistungselektronik- und Hochfrequenzanwendungen wie z.B. Schaltnetzteile, Radar und Datenübertragung.
Zur vollständigen Ausschöpfung der Qualitäten des Halbleiters müssen aber noch einige Herausforderungen bewältigt werden. Neben den Problematiken die sich aus der Qualität des GaN Grundmaterials ergibt, spielen Defekte an der Grenzfläche zu Dielektrika eine entscheidende Rolle. In dieser Arbeit wird die Instabilität der Einsatzspannung unter Spannungsbelastung von GaN Transistoren näher untersucht. Diese Instabilität hat ihren Ursprung in der elektrischen Beladung von elektrisch aktiven Defekten an der GaN/Dielektrikum Grenzfläche. Das konkrete Ziel dieser Arbeit ist die adäquate Messung sowie die Entwicklung eines physikalischen Modells für die beobachteten Ladungsaustauschphänomene. Verwendet wurden dabei elektrische sowie optische Messverfahren, wobei ein vorhandener Versuchsaufbau um eine monochromatische Lichtquelle erweitert wurde.
Das zentrale Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist die vollständige Entwicklung von geeigneten Charakterisierungsmethoden sowie deren Anwendung auf GaN/AlGaN/SiN Transistoren. Zuerst wurden etablierte Messmethoden zur Charakterisierung von Grenzflächenzuständen basierend auf Impedanzmessungen als nicht geeignet für GaN basierte Bauelemente identifiziert. Aus diesem Grund wurde eine experimentelle Methode entwickelt, welche die Grenzflächenzustandsdichte während der Belastung mit hoher Genauigkeit bestimmt. Die so gewonnenen Daten werden im Rahmen eines Modells interpretiert, welches Ladungstransferprozesse mit nicht strahlenden ubergangen berücksichtigt. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass AlGaN/SiN Grenzfläche eine Defektdichte im Bereich von 1013/(cm2 eV) hat und die Aktivierungsenergie für den Elektroneneinfang zumindest zwischen 0.1 eV und 0.8 eV verteilt ist. Der mikroskopische Ursprung dieser breiten Verteilung ist mutmasslich auf die unregelmässige atomare Struktur der Grenzfläche zurückzuführen. Jedoch kann die Grenzfläche fundamental durch eine spezielle Reinigung der AlGaN Oberfläche mit Fluor vor dem Abscheiden des Dielektrikums verändert werden. In einem so präparierten Bauelement sind dann nur noch eine Art von Defekten zu messen, welche eine schmale Verteilung der Aktivierungsenergien um 0.32 eV und eine Dichte von 8 × 1013/(cm2 eV) besitzen. Dies verdeutlicht, dass das Fluor Radikal eine wichtige Rolle in der Passivierung der nativen Defekte an der AlGaN Oberfläche hat und eine neue elektrisch aktive Störstelle verursacht die komplett andere Eigenschaften besitzt.