Fabrication and characterisation of AlGaN/GaN high electron mobolity transistors for power applications

Bernát, Juraj; Lüth, Hans

doi:1276

Fabrication and characterisation of AlGaN/GaN high electron mobolity transistors for power applications = Herstellung und Eigenschaften von AlGaN/GaN HEMTs für Leistungsanwendungen

Bernát, Juraj (Author)

2005 & 2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Juraj Bernát

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

UmfangIV, 152 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Prüfungsjahr: 2005. - Publikationsjahr: 2006

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Lüth, Hans (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-10-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-12769
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60754/files/Bernat_Juraj.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Galliumnitrid (frei) ; Transistor (frei) ; AlGaN/GaN (frei) ; HEMT (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von bauelementphysikalischen und prozesstechnologischen Parametern von AlGaN/GaN - „High Electron Mobility” Transistoren (HEMTs) auf SiC-Substraten. Durch eine Optimierung des Technologie Prozesses und der Geometrie der Bauelemente sollen damit das elektrische (dc), das Klein-Signal-Verhalten und die Groß-Signal Eigenschafen verbessert werden. Messung und Charakterisierung der Parameter der hergestellten Transistoren erfordern gute Kenntnisse von etablierten und von neuen, auf das AlGaN/GaN Materialsystem angepassten Messtechniken. Die Prozesstechnologie, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde, ist von der in unserem Institut etablierten Standard-HEMT-Prozesstechnologie abgeleitet. Diese Standard-Prozesstechnologie wurde später um die MOSHFET (HEMT mit MOS gate) Prozesstechnologie, Oberflächen-Passivierungsprozesse, Luftbrücken-Technologie und „Field plate”-Prozesstechnologie erweitert. Für die Herstellung und die Experimente wurden nicht-dotierte und dotierte Strukturen benutzt. Eine hohe Elektronendichte und hohe Beweglichkeit im Kanal bestätigten die gute Qualität der Proben. Gleichstrom-Untersuchungen der nicht-passivierten Transistoren haben bestätigt, dass dotierte Proben im Vergleich zu nicht-dotierten bessere Eigenschaften aufweisen. Gleichwohl wurden niedrigere Durchbruchspannungen und höhere „Gate Leakage” Ströme für dotierte Strukturen beobachtet, was die Eigenschaften verschlechtert. Das unerwünschte Kollabieren des Drain Stromes, typisch für AlGaN/GaN Heterostrukturen, wurde mit der „Gate lag” Messmethode untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Kollaps abhängig von der Dotierung der Barrierenschicht ist. Mit erhöhter Dotierung der Barrierenschicht sinkt der Kollaps, was auch durch Leistungs-Messungen bestätigt werden konnte. Eine Verbesserung der Gleichstrom- und Leistungs-Kennzahlen konnte durch die Passivierung der Oberflächen mit einer 150 nm dicken Si3N4 Passivierungsschichte erreicht werden. Die Oberflächenpassivierung beeinflusst die Oberflächenzuständen und führt zur Senkung des Stromkollapses. Eine Verbesserung von Gleichstrom- und Puls-Eigenschaften führt zur Verbesserung der Leistungseigenschaften. Die Oberflächenpassivierung ist nicht der einzige Ansatz, der untersucht wurde. Ein weiteres Hindernis für eine verbesserte Ausgangs-Leistung ist die immer noch relativ kleine Durchbruchspannung. Mit dem ATLAS-Simulationsprogramm konnten die Maxima des elektrischen Feldes, die den Durchbruch verursachen, in der Region unter dem Gate lokalisiert und mit der „field plate” Prozesstechnologie eliminiert werden. In der Folge sind die exzellenten Werte von 12 W/mm Ausgang-Leistungen bei nicht dotierten und dotierten Proben erreicht worden. Trotz der vorgestellten, positiven Ergebnisse zur Minimierung des Stromkollaps, war er immer noch in den Strukturen vorhanden. Eine längere Behandlung in Salzsäure kurz vor der Aufdampfung des Metalls führt zu Transistoren mit vernachlässigbar kleinem oder gar keinem Strom-Kollaps bis in den GHz Frequenzbereichs (ns Pulses). Diese Arbeit präsentiert wichtige neue Entwicklungsschritte in GaN-basierten Prozessen und Technologien für die HEMT-Herstellung. Jedoch gibt es noch offene Fragen, speziell zur Langfrist-Zuverlässigkeit, die beantwortet werden müssen. Die Langfrist-Zuverlässigkeit scheint die letzte Barriere zu sein für die industrielle Produktion von AlGaN/GaN HEMTs. Jetzt schon kündigt die Industrie die Produktion für 2006 an, damit bleibt das AlGaN/GaN Material System ein guter Kandidat für zukünftige Produktionstechniken.

The III-Nitrides were intensively studied during the last few years due to its tunable band gap range from 0.7 eV for InN to 6.2 eV for AlN. In comparison to other systems III-Nitrides have a much smaller lattice constant and therefore are mechanically stable materials with high breakdown fields. Thanks to these properties are good candidates for possible applications in the field of high-temperature, -power and -frequency electronics.The technological process developed in this work was derived from a HEMT fabrication process already established at our institute. The standard process was improved within the bound of this work by additional processes containing MOSHFET processing, surface passivation, air bridge technology, and field plate processing. HEMTs on undoped and doped layer structures were manufactured.Improved properties of intentionally doped structures in comparison to undoped ones were observed using Hall effect measurements. Results confirmed that layer structures were well grown with high mobility and high sheet carrier concentration in two-dimensional gas. Static (dc) measurements on unpassivated devices exhibited improved properties of HEMTs fabricated on doped layer structure, which is in agreement with Hall effect measurements. On the other side, the doped structures exhibited lower breakdown voltage connected with higher gate leakage current. The current collapse phenomenon was investigated using gate lag measurements for undoped and doped samples. The drain current in pulse mode was found to be dependent on the doping concentration of the barrier layer where with increased doping level the current collapse decreased. This collapsed behaviour was confirmed by output power measurements.Further improvement of static and large-signal properties was achieved using a 150 nm thick Si3N4 surface passivation layer. The positive influence on the surface states in between drain and source electrode using surface passivation resulted in a decrease of the current. Improvement of the static and pulse behaviour resulted to remarkably improved output power.Surface passivation was not the only investigated approach for improvements. A barrier to further output power increase is still the low breakdown voltage. Using the ATLAS simulation package the location of peak electric field in the under gate region was found and eliminated using field plate technology. This resulted in further output power increase with an excellent measured value of 12 W/mm in undoped and doped samples.In spite of these remarkable results, current collapse was still present in measured samples. Detailed study of our technological process, specifically the gate contact processing and pre-deposition surface cleaning, were found to be crucial regarding the current collapse. An extended HCl treatment prior to metal deposition and adjusted metal deposition resulted to samples with negligible, if any, current collapse down to GHz frequency range (ns pulses).Even though this work presents a major progress in GaN-based material system and processing there are still questions related especially to long-term reliability (in months and years), which have to be answered. The reliability also seems to be the last barrier before industrial production of AlGaN/GaN HEMTs. By now, industrial companies announced wholesale production for the year 2006 what presents the AlGaN/GaN material system as a future candidate for research and industry.

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