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Normally-off transistor topologies in gallium nitride technology = Selbstsperrende Transistor-Topologien in der Galliumnitrid-Technologie



Verantwortlichkeitsangabevorlegt von Gerrit Lükens, M.Sc.

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (161 Seiten)


Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University


Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-02-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-06120
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/792443/files/792443.pdf

Einrichtungen

  1. Lehr- und Forschungsgebiet Technologie der Verbindungshalbleiter (612020)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Al2O3 (frei) ; GaN (frei) ; Galliumnitrid (frei) ; HEMT (frei) ; HFET (frei) ; MISHFET (frei) ; MOS-hybrid (frei) ; high voltage (frei) ; normally-off (frei) ; p-GaN-gated (frei) ; selective etching (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Bauelemente der Gruppe-III-Nitrid-Verbindungshalbleiter (AlN, InN, GaN) gewinnen zunehmende Bedeutung in der modernen Elektronik. Basierend auf den exzellenten Materialeigenschaften der Nitride wie hohe Durchbruchfeldstärken, Ladungsträgerkonzentrationen und -beweglichkeiten ermöglichen diese Bauelemente kompaktere und effizientere Netzteile. So sind bereits heute Notebook-Netzteile auf dem Markt, deren Bauvolumen mit Hilfe von GaN-Leistungselektronik um 40% reduziert werden konnte und welche im Betrieb nur noch handwarm werden. Für diese Anwendungen werden selbstsperrende Transistoren benötigt, die ohne angelegt Steuerspannung stromlos sind und daher im Fehlerfall automatisch abschalten. Effiziente AlGaN/GaN-Heterostruktur-Feldeffekttransistoren (HFET) sind jedoch inhärent selbstleitend. Eine Herausforderung des letzten Jahrzehnts bestand daher darin, HFET vom selbstleitenden Verhalten in das Selbstsperrende zu überführen und zugleich die Leistungsfähigkeit des selbstleitenden Bauelementes zu erhalten. In der vorliegenden Arbeit werden drei vielversprechende Konzepte für möglichst hohe und stabile Schwellenspannung untersucht wobei theoretische wie praktisch-experimentelle Begrenzungen einbezogen werden. Hierzu werden zunächst die elektrostatischen Grundlagen der konventionellen GaN-Bauelemente erläutert. Davon ausgehend wird das Modell um ein Gate-Dielektrikum erweitert und der Einfluss von Grenzflächenzuständen zwischen Dielektrikum und gedünnter AlGaN-Barriere auf die Schwellenspannung der Bauelemente aufgezeigt. Anschließend werden Methoden zur Verbesserung der Grenzflächeneigenschaften vorgestellt und Bauelemente gezeigt, in denen durch das Dielektrikum eine Verschiebung der Schwellenspannung in positive Richtung erzielt werden konnte. Hierbei wird auch die Stabilität der Schwellenspannung anhand von Hysteresemessungen untersucht. Basierend auf dem elektrostatischen Modell werden nachfolgend die physikalischen Limitierungen dieser Verschiebung diskutiert. Bauelemente, welche noch höhere Schwellenspannungen erreichen können, sind HFET mit lokal vollständig entfernter AlGaN-Barriere. Ein Nachteil dieser Bauelemente ist eine verringerte Elektronenbeweglichkeit im Kanal. Um dieser Eigenschaft entgegenzuwirken, wird der Effekt einer amorphen AlN-Zwischenschicht auf die Beweglichkeit untersucht. Hierzu wird ein Prozess zur Abscheidung dieser Zwischenschicht mittels Atomlagendeposition entwickelt. Im letzten Teil der Arbeit wird das Konzept des p-GaN-gated HFET untersucht, welcher ohne Gate-Dielektrikum und die damit verbundenen Herausforderungen funktioniert. Dazu wird das elektrostatische Modell angepasst und der Einfluss der relevanten Parameter erläutert. Es zeigt sich, dass ein Kompromiss zwischen Schwellenspannung und Leistungsfähigkeit gefunden werden muss, welcher durch die Wahl der AlGaN-Barriere eingestellt wird. Zudem ist die Entfernung der p-GaN-Schicht außerhalb des Gate-Bereiches ein kritischer Arbeitsschritt, welcher Notwendig für dieses Bauelement ist. Dazu wird ein neuartiger Fabrikationsprozess vorgestellt, der es ermöglicht ein selbstjustiertes Gate herzustellen und das p-GaN im Bereich außerhalb des Gates selektiv zu entfernen. Dadurch wird der gesamte Herstellungsprozess reproduzierbarer und verlässlicher. Darüber hinaus werden Ansätze zur weiteren Verbesserung der p-GaN-gated HFET diskutiert und im finalen Abschnitt der Arbeit Anwendungsbereiche vorgestellt, in denen die einzelnen Topologien ihre Stärken zeigen.

Devices based on group-III-nitride compound semiconductors (AlN, InN, GaN) are gaining more and more momentum in modern electronics. Based on their excellent material properties like high critical electric fields, carrier concentrations and mobilities, these devices enable increasingly compact and efficient power supplies. Even today, there are notebook power supplies in the market whose size could be reduced by 40\% using GaN technology. For this application, normally-off transistors are required which are non-conducting without applied gate voltage, thus enabling fail-safe operation. But efficient AlGaN/GaN heterostructure field-effect transistors (HFET) are inherently normally-on. Therefore, a challenge in the past decade was fabricating normally-off HFET while retaining the performance of the normally-on types. In the presented thesis, three different promising concepts for high and stable threshold voltages will be investigated, while considering theoretical and experimental limitations. First, the electrostatics of conventional GaN devices are explained. Afterwards, a gate dielectric is included in this model and the influence of interface charge between the dielectric and a recessed AlGaN barrier on the threshold voltage will be discussed. Methods to improve the interface properties will be then introduced, for which a positive shift of the threshold voltage can be observed. These characterizations also include hysteresis measurements to estimate the threshold voltage stability of the devices. Based on the electrostatic model, the physical limitations of this threshold voltage shift will be elaborated. HFETs with a locally completely-removed AlGaN barrier can achieve even higher threshold voltages. However, a drawback of these devices is a reduced electron mobility in the channel. In order to mitigate this effect, the impact of an amorphous AlN interlayer will be investigated. Additionally, a novel PEALD process is developed for the deposition of this interlayer. In the third part, the concept of the p-GaN-gated HFET is discussed, which achieves normally-off operation without the challenging gate dielectric and its interface. Therefore, the electrostatic model is adapted and the impact of the relevant parameters is shown. A trade-off between threshold voltage and device performance is revealed, which is adjusted through the AlGaN barrier thickness and composition. Additionally, the removal of the p-GaN layer outside of the gate area is critical but required. A novel fabrication scheme will be introduced, which enables self-aligned and highly selective removal of p-GaN. This renders the entire manufacturing more robust and reproducible. Also, approaches for even further improvement of the p-GaN-gated HFET are shown. Finally, favorable applications for the different device topologies presented throughout this work will be explored.

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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT020487445

Interne Identnummern
RWTH-2020-06120
Datensatz-ID: 792443

Beteiligte Länder
Germany

 GO


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Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Electrical Engineering and Information Technology (Fac.6)
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
612020

 Record created 2020-06-12, last modified 2023-04-11


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