Low frequency noise and degradation mechanisms in GaN based HEMTs

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Gallium Nitrid (GaN) basierten "High Electron Mobility Transistoren" (HEMT). Es werden Phänomene, die zur Verschlechterung der Bauteileigenschaften führen, als auch niederfrequentes Rauschen untersucht. Des Weiteren wurden vier verschiedene Proben vermessen, die von unterschiedlichen Lieferanten bezogen wurden. Gitter angepasste InAlN/GaN und unangepasste AlGaN/GaN Transistoren wurden untersucht.<br />Es wurde ein rechnergestütztes Stress-Experiment entwickelt, welches Messungen und Datenanalyse automatisch durchführt. Bei diesen Stress-Experimenten wird die Stress-Spannung stufenweise erhöht, womit es möglich wird, die Verschlechterung der Bauteileigenschaften besser zu verstehen. Nach jeder Stressphase werden die Kennlinien des untersuchten Bauteils aufgenommen, um gegebenenfalls eine Verschlechterung beobachten zu können.<br />Einem großen Teil dieser Arbeit waren Rauschmessungen gewidmet, die im Zeitbereich bei positiver und negativer Gatespannung durchgeführt wurden. Die dabei aufgenommenen Kurvenformen von mit negativer Spannung belasteten HEMTs ähneln jenen in degradierten Metall-Siliziumdioxid-Silizium Strukturen. Alle Bauelementtypen zeigen "Random Telegraph Signal" (RTS) Rauschen während, beziehungsweise nachdem, sie mit negativer Spannung belastet wurden. HEMTs von einem der Lieferanten zeigen sogar intrinsisches RTS unter Vorwärtsspannung.<br />Aufgrund der RTS Stabilität in diesen HEMTs war es möglich, die mittlere RTS Pulsbreite zu analysieren. Mittels dieser Daten wurde ein auf einem Perkolationsweg basiertes Modell, ähnlich dem in Siliziumbauteilen, erstellt. Mit diesem Modell ist es möglich, die Emissions- und Einfangprozesse in GaN HEMTs durch die Abhängigkeit der mittleren Pulsbreite von der Vorwärtsspannung zu beschreiben.<br />

Aim of this thesis is the analysis of degradation phenomena and low frequency noise in Gallium Nitride (GaN) based high electron mobility transistors (HEMT). Measurements, where source and drain are grounded and the gate is reverse as well as forward biased are performed on four different sample types provided by different suppliers. Lattice matched InAlN/GaN and lattice mismatched AlGaN/GaN HEMTs are investigated.<br />An automatic step-stress experiment has been developed, allowing automatic PC-controlled measurements and data analysis. Step-stress experiments are used to get a better insight on how devices get degraded. During step-stress experiments, the investigated device is reverse-bias stressed. Step-stress experiments start at a fixed stress voltage, which is increased stepwise after a defined time. After each stress step, device characteristics are recorded, allowing to monitor device degradation.<br />A major of the thesis are time-domain noise measurements, performed under reverse and forward bias, using a current amplifier and a digital oscilloscope. Waveforms observed in reverse-bias stressed devices suggest similarities between degraded metal-insulator-semiconductor structures e.g. metal-SiO2-Si and GaN HEMTs. All sample types provided by different suppliers showed random telegraph signal (RTS) noise under reverse-bias stress. Several samples from one supplier even showed RTS under forward bias. Due to RTS stability in this devices, it was possible to analyze the mean pulse widths from the RTS pulses. Having these results, a percolation path model is developed, similar to existing ones for silicon based devices. Within this model, it is possible to describe emission and capture processes in GaN HEMTs based on the forward bias dependency of the mean pulse widths.