8. Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit werden Gunn-Dioden, basierend auf den Materialsystemen GaAs und GaN, hinsichtlich der Mikrowellenerzeugung in der Automobil-Branche untersucht. Zusätzlich zu den ökonomischen Faktoren und der Anforderung an einfache Schaltkreise, sind für die Mikrowellenoszillatoren folgende Eigenschaften erforderlich: exzellente Frequenzstabilität, ausreichende Ausgangsleistung, geringes Rauschniveau (in Amplitude, Frequenz und Phasenmodulierung), variable Frequenzabstimmung und die Fähigkeit in Bezug auf Amplitude (AM), Frequenz (FM) oder Phase (PM) moduliert zu werden. Diese Dissertation beschreibt die vielseitigen Bemühungen, die unternommen wurden um die Gunn-Dioden im Hinblick auf die oben genannten Eigenschaften zu verbessern.

Es wurden Herstellungstechniken für planare GaAs und GaN Gunn-Dioden entwickelt und optimiert. Das Wachstum der GaAs Gunn-Diodenstrukturen erfolgte auf einem 2 Zoll semi-isolierenden GaAs Substrat mittels einer MBE Varian ModGen II Anlage; das der GaN Gunn-Diode auf einem 2 Zoll $Al_2 O_3$ Substrat mittels eines MOVPE AIXTRON Reaktors im Institut für Schichten und Grenzflächen des Forschungszentrums Jülich. Nach dem Epitaxiwachstum wurden 2.2 bis $3.0 \thickspace \mu m$ tiefe Mesas hergestellt. Um glatte und nahezu vertikale Seitenwände zu erhalten, wurde die Trockenätzung gewählt. Außerdem verhindert diese Methode die ungewollte Unterätzung und erlaubt eine exakte Definierung der Mesa. Die Forderung nach tiefen Mesas verlangt hohe Ätzraten, welche durch einen chlorbasierten ECR-Ätzprozess erreicht werden konnten. Im Fall von GaN wurden die konventionellen Ti-Masken durch Ni-Masken ersetzt. Es kam damit zu einer Steigerung der Selektivität des Ätzens um ein Fünffaches. Selbstjustierende Emitter und Kollektorkontakte wurden aufgedampft und einlegiert. Die elektrische Isolierung des Bauelements erfolgte mittels Nassätzung oder Ar Ionensputtern bis zum semi-isolierenden Substrat. Das Problem der Kontaktierung des Topkontaktes (Emitter) konnte gelöst werden durch eine niedrig-parasitäre Airbridge bzw. durch eine Topkontakt-Planarisierung auf die direkt Metallverbindungen aufgedampft wurden. Mittels Finite Elemente Temperatursimulierung konnte demonstriert werden, dass die Airbridges die Kühlung der Diode sehr stark verbessern. Die Hitze, die in der aktiven Schicht der Gunn-Diode entsteht, entspricht einer Leistungsdichte von größer $140\thickspace kW/cm^2$ (GaAs) bzw. $1 \thickspace MW/cm^2$ (GaN). Eine Wärmesenke ist zur Kühlung der aktiven Schicht notwendig und trägt somit zu einer verbesserten Leistung und Zuverlässigkeit des Bauelementes bei. In herkömmlichen Gunn-Dioden wurde das Substrat entfert und eine Wärmesenke aus Gold auf den Untergrund aufgetragen. Die Airbridge stellt eine gute Alternative zu dieser Bottomwärmesenke dar, welche nicht kompatibel mit planaren Prozessen ist.

Innerhalb dieser Arbeit konnten zwei verschiedene hot electron injectors für Gunn-Dioden herausgearbeitet werden: graded gap injector (GGI) und resonant tunneling injector (RTI). Die Hauptaufgabe eines hot electron injectors ist der Transfer von möglichst vielen Elektronen vom $\Gamma$- zum L-Valley zu Beginn der aktiven Schicht des Bauelementes.
Im Rahmen der Zusammenarbeit des Forschungszentrums Jülich mit der Robert Bosch GmbH erfolgte die Untersuchung und Optimierung von GGI GaAs Gunn-Dioden[Pro04]. Qualitativ hochwertige planare GGI Gunn-Dioden wurden hergestellt, unter der Verwendung von Airbridges mit niedrig-parasitärer planarer Technologie. Die Beurteilung des RF-Verhaltens bis $110 \thickspace GHz$ zeigt die Effektivität der verschiedenen graded gap injectors. Die besten Resultate konnten für gegradete AlGaAs Barrieren mit einem maximalen Al-Gehalt von 32% und 34% erzielt werden. Dargestellt ist eine Abschätzung der möglichen Arbeitsmodi für Dioden, welche als Mikrowellenerzeuger bei $77 \thickspace GHz$ in Radarsystemen in der Automobilbranche Einsatz finden.
Ein zweiter neuer hot electron injector, der GaAs/AlAs Doppelbarrieren-RTI konnte erfolgreich vorgeschlagen und gestaltet werden. Der RTI wurde numerisch selbstkonsistent simuliert mittels Realzeit-Green-Funktionen. Ziel dabei war die Anpassung des ersten Transmissionsenergieniveaus für einen gegebenen Stromdichtebereich ( $23-27 \thickspace kA/cm^2$) an den Energieunterschied zwischen dem L-Valley und dem $\Gamma$-Valley. GaAs Gunn-Dioden mit RTI wurden hergestellt und charakterisiert. Für beide DC und RF Bedingungen zeigt die RTI Gunn-Diode deutliche Beweise für die Effektivität des injectors. Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse der herkömmlichen GGI Gunn-Dioden mit denen der neuen RTI Gunn-Dioden zeigt die Bedeutung der beiden Injektoren bei DC und Hochfrequenzen.

Die Gestaltung, Prozessierung und Charakterisierung von neuartigen monolitisch integrierten Oszillatoren (MMIC-VCO) basierend auf einer GaAs Gunn-Diode, erfüllt die zweite Zielsetzung innerhalb dieser Arbeit. Dank der guten Integration einer planaren GGI Gunn-Diode mit einem CPW Resonator, einem periodischen slow-wave Tiefpassfilter und einem fingerförmigen HF-Koppler, ist der Oszillator sehr kompakt. Eine maximale Leistung von $3.77\thickspace mW$ bei $46\thickspace GHz$ konnte ermittelt werden. Die weitere Zunahme der Ausgangsleistung könnte durch eine Vergrößerung der Gunn-Dioden-Fläche und durch eine Verwendung von dicken Airbridges erreicht werden. Aufgrund der einfachen und direkten Prozessierungstechnologie ist unsere vorgeschlagene Mikrowellenerzeugung konkurrenzfähig zu Hohlraumresonator-Oszillatoren und transistorbasierten MMICs.

Während die Prozessierung von GaN-Gunn Dioden vollständig erarbeitet wurde, sind die Meßergebnisse an den hergestelten Dioden als vorläufig anzusehen. Jedoch, wurde im Rahmen der Prozessierungsarbeit ein für zukünftige Nanobauelemente interessantes neues Ergebnis gefunden. Die ersten GaN Ätztests demonstrierten die Möglichkeit zur Herstellung von Nanosäulen mit einer einfachen und reproduzierbaren Methode. Innerhalb der verschiedenen Nanostrukturen, sind Nanowires und Nanotubes die erfolgversprechendsten Bauteile für eine zukünftige Nanoelektronik. In unserer neuen topdown Betrachtungsweise wurden die Nanosäulen mittels ECR-RIE Ätzung aus den durch MOVPE gewachsenen GaN-Schichten hergestellt.