Processing approaches and gate dielectrics for AlGaN/GaN-based MISHFET

Eickelkamp, Martin; Vescan, Andrei

doi:5011

Processing approaches and gate dielectrics for AlGaN/GaN-based MISHFET = Prozessierungsansätze und Gate-Dielektrika für AlGaN/GaN-basierte MISHFET

Eickelkamp, Martin (Author)

2013 & 2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Eickelkamp

ImpressumAachen 2013

Umfang156 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Prüfungsjahr: 2013. - Publikationsjahr: 2014

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Vescan, Andrei (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-04-19

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-50111
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229803/files/5011.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet GaN-Bauelementtechnologie (612020)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
HEMT (Genormte SW) ; Galliumnitrid (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; GaN (frei) ; AlGaN (frei) ; HFET (frei) ; MISHFET (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
pacs: 52.77Dq * 85.30De * 85.30Tv * 85.40Sz

Kurzfassung
Die exzellenten elektrischen Eigenschaften von Gruppe III-Nitridhalbleitern haben die Entwicklung von Galliumnitrid (GaN)-basierten Heterostruktur-Feldeffekttransistoren (HFET) mit hoher Spannungsfestigkeit bei gleichzeitig hohen Schaltfrequenzen ermöglicht. Als Hochfrequenz-leistungsverstärker werden damit Leistungsdichten erreicht, die denen von vergleichbaren Si-, GaAs-, oder SiC-basierten Bauelementen deutlich überlegen sind. Ein inhärenter struktureller Schwachpunkt dieser Bauelemente ist jedoch die unzureichende Spannungsfestigkeit des als Schottky-Kontakt ausgelegten Gates, das gleichzeitig mit hohen Leckströmen behaftet ist. Einen Ansatz zur Überwindung dieser Nachteile bietet das Konzept des „Metal Insulator Semiconductor HFET“ (MISHFET), das zugleich als Schlüsseltechnologie für zukünftige Bauelement-Generationen gilt. In der vorliegenden Dissertation werden AlGaN/GaN-MISHFETs mit den Gatedielektrika Siliziumnitrid (Si3N4), Siliziumdioxid (SiO2), Aluminiumoxid (Al2O3), Hafniumoxid (HfO2) und Lanthan-Lutetium-Oxid (LaLuO3) untersucht. Dabei kommen unterschiedliche Abscheidemethoden wie Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), Atomic Layer Deposition (ALD), Pulsed Laser Deposition (PLD), Oxidation einer dünnen Metallschicht sowie thermische Oxidation der Barriere selbst zum Einsatz. Auf Basis des am Institut etablierten HFET-Basisprozesses werden die notwendigen zusätzlichen Schritte zur Prozessierung von MISHFETs entwickelt. Relevante elektrische Bauelementeigenschaften werden theoretisch wie experimentell in Bezug zu den Materialeigenschaften der untersuchten Dielektrika gesetzt: Die Verringerung von Gate-Leckströmen wird mit dem Leitungsbandsprung zwischen Dielektrikum und Halbleiter korreliert, während auf Basis eines theoretischen Grundmodells Vorhersagen zu Ladungsträgerdichte oder Schwellenspannungsverschiebung verschiedener MISHFETs als Funktion von Materialeigenschaften sowie Schichtdicken der ausgewählten Dielektrika getroffen und experimentell verifiziert werden. Die experimentellen Ergebnisse gestatten eine Bewertung der grundsätzlichen Eignung eines Dielektrikums oder einer Abscheidetechnologie im Zusammenspiel mit dem oberflächensensitiven Verbindungshalbleiter. Theoretisch wie praktisch wird nachgewiesen, dass elektrische Bauelement-eigenschaften von MISHFETs wie Kanalstromdichte, Ladungsträgerbeweglichkeit, Steilheit und Schaltfrequenzen diejenigen von konventionellen HFETs übertreffen.

The excellent electrical properties of group-III nitride semiconductors enabled the development of galliumnitride- (GaN-) based heterostructure field effect transistors (HFET) with high breakdown voltage and high switching frequencies at the same time. Power densities of such high-frequency power amplifiers significantly exceed those of comparable Si-, GaAs-, or SiC-based devices. One inherent weakness, however, is the insufficient electric strength of the gate, which is typically realized as a Schottky contact and thus goes along with high leakage currents as well. The concept of the „Metal Insulator Semiconductor HFET” (MISHFET) is one approach to overcome this weakness. Moreover, it is considered as key technology for future device generations. In this work, AlGaN/GaN MISHFET with gate dielectrics silicon nitride (Si3N4), silicon oxide (SiO2), aluminum oxide (Al2O3), hafnium oxide (HfO2), and lanthanum lutetium oxide (LaLuO3) are investigated. Different deposition techniques such as Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD), Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), Atomic Layer Deposition (ALD), Pulsed Laser Deposition (PLD) and thermal oxidation of the barrier were utilized. The established baseline process of GaNBET institute was extended by the additional processing steps necessary for MISHFET processing. Relevant electrical device parameters were set into relation to material properties of the investigated dielectrics, both theoretically and experimentally: Lower leakage currents are being correlated with conduction band offsets between dielectrics and semiconductor, while sheet carrier density and threshold voltage shift, both as a function of the corresponding dielectric and its thickness, are not only predicted on the basis of a fundamental theoretical model, but are also proven by experiment. The experimental results allow for an evaluation of the general feasibility of a certain dielectric or a certain deposition technique in conjunction with the surface-sensitive semiconductor. It is being demonstrated both theoretically as well as experimentally that electrical properties of MISHFET such as channel current density, carrier mobility, transconductance and RF switching frequencies exceed those of conventional HFET.

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