Fabrication and characterization of AlGaN/GaN high electron mobility transistors

Javorka, Peter; Lüth, Hans

doi:25728

Fabrication and characterization of AlGaN/GaN high electron mobility transistors

Javorka, Peter (Author)

2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Peter Javorka

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2004

UmfangIV, 122 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2004

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Lüth, Hans (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2004-02-10

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-7897
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61995/files/Javorka_Peter.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik (600000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
HEMT (Genormte SW) ; Heterostruktur-Bauelement (Genormte SW) ; Aluminiumnitrid (Genormte SW) ; Galliumnitrid (Genormte SW) ; Substrat <Mikroelektronik> (Genormte SW) ; Saphir (Genormte SW) ; Silicium (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; AlGaN (frei) ; Passivation (frei) ; Si (frei) ; Al2O3 (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung von AlGaN/GaN HEMTs auf Saphir- und Silizium-Substraten. Dazu wurde der Fabrikationsprozess von HEMTs entwickelt und optimiert für AlGaN/GaN Heterostrukturen auf Saphir- und Silizium-Substraten. Die AlGaN/GaN-Heterostrukturen auf Substraten aus Saphir wurden mittels RundHEMT-Technologie optimiert. Der Einfluss der Dicke einer AlGaN Barriereschicht und der Einfluss einer Dotierung der AlGaN Carrier-Supply Schicht auf die elektrischen Eigenschaften den HEMTs wurden untersucht. Die besten DC Werte für den maximalen Drainstrom IDSS=354mA/mm und die maximale Steilheit gm=132mS/mm wurden bei der Probe mit der Dotierung 5x1018cm-3 und einer Schichtdicke von 12nm gemessen. Die optimierte Schichtstruktur wurde für weitere Untersuchungen bezüglich des Einflusses des Transistor-Layouts auf elektrische Eigenschaften verwendet. Hierfür wurden der Source-Drain-Abstand und die Gatelänge verändert. Es wurde eine maximale Schwingfrequenz von 64GHz und eine Transitfrequenz von 37GHz beobachtet. Mittels der Airbridge-Technologie wurden dann Multi-Finger-HEMTs hergestellt, um den Einfluss der Gateweite auf die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente zu untersuchen. Die Eignung der AlGaN/GaN HEMTs auf Silicium-Substraten wurde mittels des RundHEMTs Bauelements verifizert. Ein Bauelement mit einem Source-Drain-Abstand von 3µm und einer Gatelänge von 0.3µm zeigte einen maximalen Sättigungsstrom von 0.82A/mm, was bis zu diesem Zeitpunkt den höchsten Wert im Vergleich zu veröffentlichten Daten darstellte. Die Optimierung des Technologieprozesses und Verbesserung der Qualität des Schichtsystems ermöglichte die Herstellung von linearen HEMTs mit hervorragenden HF-Eigenschaften. Die Bauelemente mit einer Gatelänge von 0.5 (bzw. 0.7)µm zeigten eine Transitfrequenz von 32(20)GHz und eine maximale Schwingfrequenz von 27(22)GHz. fmax/fT-Verhältnis hatte den Wert 0.85 und 1.08 für HEMTs mit 0.5 und 0.7µm Gatelänge. Diese kleinen Werte sind auf die parasitäre Leitfähigkeit des Silicium-Substrates zurückzuführen. Die Charakterisierung des Bauelements bei höheren Temperaturen zeigte, dass sich die Gleichstromeigenschaften (der maximale Sättigugsstrom und die Steilheit) für AlGaN/GaN HEMTs auf Saphir-Substraten beim Aufheizen stärker verschlechtern als jene auf Silizium-Substraten. Die ausgewerteten Temperaturen im Kanal für AlGaN/GaN HEMTs auf Saphir und Silizium Substraten zeigten eine höhere Kanaltemperatur im Falle des AlGaN/GaN HEMTs auf Saphir-Substrat (320°C) im Gegensatz zu Bauelementen auf Silizium-Substrat (95°C). Dieses Ergebnis wiederum bestätigte die Vorteile der AlGaN/GaN-HEMTs auf Silizium Substraten für Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen. Der Einfluss der Dotierungskonzentration einer Carrier-supply-Schicht des AlGaN/GaN HEMTs (Silizium-Substrate) auf die DC- und HF-Eigenschaften wurde ebenfalls untersucht. Allgemein geht man von einem groß en Einfluss der Oberflächen-Zustände des AlGaN auf die Eigenschaften des 2DEG aus. Deshalb wurden die elektrischen Eigenschaften der undotierten und der dotierten AlGaN/GaN HEMTs nach der Deposition einer SiO2 und einer Si3N4 Passivierungsschicht untersucht. Hallmessungen zeigten, dass sich die 2DEG-Konzentration mit einer Passivationsschicht erhöht. Die Si3N4 Passivierungsschicht führte für alle vier Proben zu einer Verbesserung der DC und RF Eigenschaften. Für eine undotierte Probe mit Si3N4 Passivierungsschicht wurde eine fast doppelt so hohe Ausgangsleistung beobachtet. Die SiO2-Passivierungsschicht brachte allerdings nur eine Verbesserung der DC Eigenschaften, wogegen sich die HF-Eigenschaften verschlechtert haben. Der physikalische Einfluss von Passivierungsschichten ist jedoch bis dato nicht ganz verstanden und deswegen sind diesbezüglich weitere Untersuchungen notwendig. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass Silizium als Substrat für AlGaN/GaN-Heterostrukturen geeignet ist. Diese Schichten gelten als vielversprechender Kandidat für die industrielle Produktion von Bauelementen für Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendung.

The task of this work was to fabricate and characterize AlGaN/GaN HEMTs on sapphire and silicon substrates. For this reason the HEMT fabrication technology had to be developed and optimized on AlGaN/GaN heterostructures grown on sapphire and silicon substrates. The optimization of AlGaN/GaN heterostructure on sapphire substrate has been done using RoundHEMT technology. Effects of the AlGaN barrier layer thickness and doping density of AlGaN carrier supply layer and its influence on the electrical properties of HEMTs were studied. The doping density of 5x1018cm-3 and 12nm thick barrier layer gave the best DC performance, i.e. IDSS=354mA/mm and gm=132mS/mm. On an optimized layer structure the influence of the transistor layout to its electrical properties has been studied by changing the source to drain distance and by varying the gate width. The maximal frequency of oscillation of 64GHz and cutoff frequency of 37GHz have been measured. The influence of the different gate widths onto the device performance was studied with multi-finger HEMTs. The HEMTs on AlGaN/GaN heterostructure on sapphire substrate have shown desirable performances but due to poor thermal conductivity of sapphire substrate they are not suitable for high temperature and high power application. The suitability of AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrates have been proved by RoundHEMT device. After the first difficulties connected with not suitable structure quality and crack structure have been overcame the RoundHEMT with very promised DC performances had been fabricated on the doped AlGaN/GaN heterostructure. The devices with source to drain spacing of 3µm and the gate length of 0.3µm have shown maximal saturation current of 0.82A/mm which was the highest value compared to values published in that time for similar AlGaN/GaN HEMTs. Optimizing the fabrication technology and using better quality of layer structure linear HEMTs with excellent RF performance were fabricated. Devices with 0.5 (respectively 0.7)µm gate length yielded cutoff frequency of 32(20)GHz and maximal frequency of oscillation 27(22)GHz. The obtained fmax to fT ratio was 0.85 and 1.08 for devices with 0.5 and 0.7µm gate respectively. Non-insulating substrates also lower the cutoff frequency. This small value indicates a parasitic conduction due to non-insulating silicon substrate. Evaluated channel temperature for AlGaN/GaN HEMTs on sapphire substrate compared to HEMTs on silicon substrate has shown that (at 6W/mm dissipated power) the temperature in channel of the HEMT on sapphire substrate is 320°C in comparison to 95°C for HEMT on silicon substrate. The effect of doping concentration in the carrier supply layer of AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrate on DC and RF performance was studied at four samples with varying doping density. An improvement of the performance of HEMT devices is obtained with use of appropriate passivation. Influence of SiO2 and Si3N4 passivation on undoped and doped AlGaN/GaN HEMTs was studied. Hall effect measurements have shown an increase of the 2DEG concentration after applying both types of passivation. An improvement of DC and RF performance was observed in the case of Si3N4 passivation for all four samples. Nearly two times higher output power density was observed for undoped AlGaN/GaN HEMT after applying Si3N4 passivation. The influence of passivation layers on AlGaN/GaN is still not fully understood and further work requires deeper investigations. Finally, preparation and characterization of AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrate have shown that this device can be a good candidate for mass production of devices for high-frequency, high-power and high-temperature applications. However, further studies related to the material structure improvements and to better understanding of DC/RF dispersion (traps, strain effect, etc.) should be performed.

Fulltext:
PDF
(additional files)