2026-03-122026-03-12https://hdl.handle.net/11420/62037AlGaN/GaN-HEMTs finden aufgrund der intrinsisch hohen Durchbruchspannung von Gruppe-III-Nitrid-Materialien und der Ausbildung eines 2DEG an dem AlGaN/GaN-Heteroübergang in der Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik ihre Anwendung. Um die Leistung zu verbessern und ihren Anwendungsbereich zu erweitern, gibt es mehrere Ansätze, GaN-basierte HEMTs mit ferroelektrischen Materialien zu kombinieren. Diese Integration zielt darauf ab, dynamische und nichtflüchtige Schwellenspannungsregelung für Speicher- und kontrollierbare Hochfrequenz-/ Mikrowellenanwendungen zu realisieren. Die durch die größere Polarisationsladung der Ferroelektrika wie AlScN enormen Designmöglichkeiten zur Kopplung von Ladungen mit der zugrunde liegenden Bauelementfunktion, können jedoch aufgrund der erforderlichen Abstimmung ferroelektrischer Eigenschaften sowie enormer Prozessherausforderungen bei der Integration ferroelektrischer AlScN-Dünnschichten bisher nicht voll für skalierbare Bauelementarchitekturen ausgenutzt werden. Diese Herausforderungen manifestieren sich in einem erhöhten Leckstrom bei geringeren Schichtdicken und einer Empfindlichkeit gegenüber der Topographie sowie der kristallinen Substratorientierung, was zu reduzierten Durchbruchspannungen unterhalb der erforderlichen Koerzitivfeldstärke für die Polarisationskontrolle oder die Bildung der kubischen Phase und fehlorientierten Kristalldomänen führt. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, zielt dieser Projetvorschlag darauf ab, verschiedene ferroelektrische Gate-Stapel in AlGaN/GaN-HEMTs zu integrieren. Hierfür wird zunächst der Einfluss neuartiger in ihren Eigenschaften (Bandlücke, Dielektrizitätskonstante) einstellbarer ternärer dielektrischer Zwischenlagen, atomlagenbasierter Verarbeitungsschritte, potenzialfreier Metall-/ Halbleiterzwischenschichten und geeigneter Kontaktmetalle auf die ferroelektrischen Eigenschaften von AlScN-Dünnschichten untersucht. Die vielversprechendsten Materialstapel werden in FeHEMTs integriert und im Bauelementbetrieb so charakterisiert, dass ferroelektrische Materialeigenschaften mit den resultierenden Transistoreigenschaften korreliert werden können. Besondere Anstrengungen werden darauf verwendet, die Wechselwirkungen zwischen den Ladungsträgern im 2DEG und den Polarisationsladungen im Bauelementbetrieb zu untersuchen. Darüber hinaus müssen Betriebsparameterräume untersucht und definiert werden, um unbeabsichtigtes Polarisationsschalten während des Transistorbetriebs zu vermeiden. Die daraus resultierenden FeHEMTs sollen für den Einsatz in leistungselektronischen Anwendungen konzipiert werden, um einen verbesserten energieeffizienten Betrieb aufgrund der erweiterten Möglichkeiten einstellbarer Bauteileigenschaften zu realisieren. Besonderes Augenmerk wird bei dieser Entwicklung auf die Aufrechterhaltung der Prozesskompatibilität mit bestehenden AlGaN/GaN-Technologien gelegt, um ihre Technologieplattform um ferroelektrisch verstärkte Transistoren zu erweitern.AlGaN/GaN HEMTs are popular in high-speed and high-power electronics due to the intrinsic high breakdown voltage of group-III-nitride materials and the presence of the 2deg at the AlGaN/GaN heterojunctions. To improve performance and broaden their application scope, consistent attempts have been made to combine GaN-based HEMTs with ferroelectric materials. This integration has been aimed at achieving dynamic and non-volatile threshold voltage control for primary memory and adaptable radio frequency / microwave uses. However, while emerging ferroelectrics like AlScN feature ample polarization that enable vast design possibilities to couple charges with the underlying device function, its full utilization has been challenging for scalable device architectures due to the required matching of ferroelectric properties as well as process challenges during the integration of ferroelectric AlScN thin films. These challenges manifest in enhanced leakage current at lower film thicknesses and sensitivity towards topography as well as substrate crystalline orientation, which promotes reduced breakdown voltages below the required coercive field strength for polarization control or formation of the cubic phase and misaligned crystal domains. To address these challenges, this proposal aims to integrate different ferroelectric gate stacks into AlGaN/GaN HEMTs. For this, initially the impact of novel ternary dielectric interlayers with adjustable properties (bandgap, dielectric constant), atomic layer processing steps, floating intermediate metal / semiconductor layers and suitable contact metals on the ferroelectric properties of AlScN thin films is investigated. The most promising material stacks will be integrated in FeHEMTs and their operation characterized to correlate ferroelectric material properties with the resulting transistor properties. Special effort will be spent to investigate interactions between the 2deg charges and polarization charges in operando. Additionally, operation parameter spaces are to be explored and defined to avoid unintended polarization switching during transistor operation. The resulting augmented HEMTs are to be conceptualized for their use in power electronic applications with the prospect of improved energy efficient operation due to the capability of advanced device property calibration. Special attention is being given in this development effort to maintain process compatibility with existing AlGaN/GaN technologies to expand its technology platform with ferroelectric enhanced transistors.