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Fabrication and characterization of gallium nitride based high electron mobility transistors for mm-wave applications = Herstellung und Charakterisierung von Gallium Nitrid basierten High-Electron-Mobility-Transistoren für mm-Wellen-Anwendungen



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Benjamin Simon Strang

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2012

Umfang176 S. : Ill., graph. Darst.


Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache


Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter


Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-01-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-39564
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/64176/files/3956.pdf

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Experimentalphysik IV F (FZ Jülich) (134610)
  2. Fachgruppe Physik (130000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gallium (Genormte SW) ; Nitride (Genormte SW) ; HEMT (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; mm-wave (frei) ; Terahertz (frei) ; T-gate (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
In den vergangenen Jahren haben High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) basierend auf dem Materialsystem der Nitride ihr Potential als effiziente Hochleistungs-Hochfrequenzbauelemente erfolgreich unter Beweis gestellt. Während auf Nitriden basierende HEMTs seit wenigen Jahren kommerziell in der Mobilfunk-Kommunikationstechnik eingesetzt werden, ist ihre Optimierung für Millimeterwellen-Anwendung noch Gegenstand aktueller Forschung. Insbesondere ist die Anwendung der Nitride als Basismaterialsystem für Terahertz-Frequenz-Vervielfacher-Ketten ein vielversprechendes, aber bisher wenig untersuchtes Forschungsthema. Diese Arbeit hat zum Ziel, die Standard-Prozess-Technologie des Peter Grünberg Instituts 9 (PGI-9) am Forschungszentrum Jülich zur Herstellung von auf Nitriden basierenden HEMTs zu optimieren, um ihren Einsatz im Millimeter-Wellenbereich zu ermöglichen. Um leistungslimitierende Faktoren zu identifizieren, wurde unter anderem der Einfluss von Gate-Längen unter 100 nm sowie die Gate-Querschnitts-Struktur untersucht. Weiterhin wurden T-Gate-Prozesse entwickelt. In diesem Zusammenhang wurde der Einfluss von Reaktivem-Ionen-Ätzen mit Fluorgasen auf die elektrischen Eigenschaften des verwendeten Nitride-Materialsystems untersucht. Des Weiteren wurde ein chlorgas-basierter Trockenätzprozess zum Zwecke eines Gate-Recess entwickelt. Vor- und Nachteile dieses chlorgas-basierten Trockenätzprozesses wurden mit den Vor- und Nachteilen eines zweiten Gate-Recess-Ansatzes verglichen, welcher auf Sputter-Ätzen basiert. Vollständig passivierte HEMTs dieser Arbeit erreichten eine extrinsische Kurzschlussstromverstärkung bis zu einer Frequenz von 60 GHz und eine extrinsische maximale Schwingfrequenz von 125 GHz. Mit Hilfe des entwickelten chlorgasbasierten Trockenätzprozesses wurden HEMTs gefertigt, welche eine extrinsische Steilheit von über 400 mS/mm, eine extrinsische maximale Schwingfrequenz von 105 GHz und eine extrinsische Kurzschlussstromverstärkung bis 35 GHz bei einer Gate-Länge von 370 nm erreichten. Als Beispiel für eine Millimeterwellenanwendung wurden monolithisch-integrierte Oszillatorstrukturen mit einem Nitride-HEMT als aktives Element entworfen und gebaut. Die Oszillatoren erreichten eine Schwingfrequenz von 39,9 GHz und eine Ausgangsleistung von 10 dBm bei 13,3 GHz.

In recent years High Electron Mobility Transistors (HEMTs) based on the nitride material system have successfully proven their potential as excellent high-power and high-frequency devices. While nitride-based HEMTs have been used commercially in the mobile communication technology for a few years, their optimization for millimeter-wave applications is still object of present research. Especially the application of nitrides as base material system for terahertz-frequency-multiplier-chains is a very promising but until now barely investigated research topic. The objective of this work is to optimize the standard process technology for the fabrication of nitride-based HEMTs of the Peter Grünberg Institute 9 (PGI-9) at the Research Center Jülich to allow for their application in the millimeter-wave regime. In order to identify performance limiting factors the influence of sub-100-nm gate lengths and the gate cross sectional structure were experimentally investigated. Furthermore T-gate processes were developed. In this context the influence of reactive ion etching with fluorine gases on the electrical properties of the used nitride material system was studied. Additionally a chlorine based dry-etch process was developed for gate-recessing purpose. Advantages and disadvantages of this chlorine-based dry etch process were compared with the advantages and disadvantages of a second gate-recess approach, which is based on sputter etching. Fully passivated HEMTs of this work achieved an extrinsic current-gain cut-off frequency of up to 60GHz and a maximum frequency of oscillation of 125 GHz. By means of the developed chlorine-based dry etch process HEMTs were built, which achieved an extrinsic transconductance of greater than 400 mS/mm, an extrinsic maximum frequency of oscillation of 105GHz and an extrinsic current-gain cut-off frequency of 35 GHz while having a gate length of 370 nm. As an example of a millimeterwave application monolithically integrated oscillator structures with a nitride-HEMT as an active device were designed and fabricated. The oscillators achieved a frequency of oscillation of 39.9 GHz and an output power of 10 dBm at 13.3 GHz.

Fulltext:
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Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online, print

Sprache
English

Interne Identnummern
RWTH-CONV-125514
Datensatz-ID: 64176

Beteiligte Länder
Germany

 GO


OpenAccess

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The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mathematics, Computer Science and Natural Sciences (Fac.1) > Department of Physics
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
130000
134610

 Record created 2013-01-28, last modified 2022-04-22


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