Electrical characterization of p-GaN gate HEMTs: The role of intentional hole injection for dynamic RDS,on recovery

Abstract

Galliumnitrid (GaN) High Electron Mobility Transistoren (HEMT) sind laterale Bauelemente, die auf der hohen Elektronenmobilität eines zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) basieren. Dieses 2DEG bildet sich an einem AlGaN/GaN-Heteroübergang aufgrund der Bandlückendifferenz sowie der starken spontanen und piezoelektrischen Polarisationseffekte in GaN. Aufgrund ihrer ausgezeichneten Materialeigenschaften und ihrer Effizienz werden diese Transistoren als die nächste Generation von Halbleiterbauteilen angesehen.Da native GaN Wafer nicht in industriellem Maßstab zur Verfügung stehen und extrem teuer sind haben sich Hersteller dazu entschlossen Galliumnitrid-Transistoren auf Silizium Wafern zu fertigen. Das führt zu stark reduzierten Bauteilkosten, geht jedoch mit einigen Nachteilen einher. Diese Nachteile müssen durch ein gutes Verständnis interner Prozesse reduziert werden. Eine Kohlenstoff-dotierte Schicht ist notwendig um den elektrisch aktiven Bereich von dem leitfähigen Silizium Trägermaterial zu isolieren und eine Siliziumnitrid (SiN) Passivierung schützt die Oberfläche des Transistors. In beiden Bereichen sind Elektronenfallen, die während Stresszuständen befüllt werden können und in der Folge zu transienten Effekten führen, z.B. einem dynamischen ON-Widerstand (RDS,on) und einer Verschiebung der Schwellenspannung (∆VTH).Um besser zu verstehen, wie sich aktive Lochinjektion von einer p-dotierten Region zwischen dem Gate und dem Drain (p-Drain) auf die Regeneration während und nach Hot-Carrier Stress auswirkt, wurden zwei Source-Measurement-Unit Setups untersucht und miteinander verglichen. Im Anschluss wurden die Auswirkungen von Lochinjek- tion vom p-Drain nach Hot-Carrier Stress mit den Auswirkungen von Lochinjektion vom p-dotierten Gate verglichen. Es wurde festgestellt, dass die laterale Position der Lochinjektion aufgrund der schnellen Lochausbreitung in der AlGaN back-barrier, innerhalb der Messgenauigkeit des Setups, keinen signifikaten Einfluss auf die Zeitkonstanten hat.Der andere Aspekt, der untersucht wurde, ist die Auswirkung von aktiver Lochinjektion während dem Hot-Carrier Stress. Dieser Effekt wird bereits passiv beim Hybrid Drain-embedded Gate Injection Transistor (HD-GIT), einem am Markt erhältlichen Transistordesign, verwendet, um stressinduzierte Degradation zu verringern. Für kleine Drain Spannungen von 150 V wurde eine klare Reduzierung der Degradation festgestellt, abhängig vom injizierten Lochstrom. Für große Drain Spannungen (>300V) war die Degradation des Transistors unabhängig vom injizierten Lochstrom.Zusätzlich wurde die laterale Lochausbreitung in speziellen Teststrukturen bei Raumtemperatur und bei 150 ◦C untersucht. Hierfür standen vier verschiedene Epitaxie- und Prozessvarianten zur Verfügung, an denen zwei unterschiedliche Lochinjektionsmechanismen getestet wurden. Für die Lochinjektion vom p-dotierten Gate wurden die Dif- fusionskonstanten von Löchern in Kohlenstoffdotiertem GaN bestimmt.

The Gallium Nitride (GaN) High Electron Mobility Transistor (HEMT) is a lateral device that leverages strong polarization effects in GaN and the bandgap difference of an AlGaN/GaN heterojunction to generate a Two-Dimensional Electron Gas (2DEG) with exceptionally high electron mobility. Due to their superior material properties and efficiency, these transistors are considered to be the next generation of semiconductor devices.Since native GaN substrates are not available on an industrial scale and are prohibitively expensive, industry has turned to manufacturing GaN-based devices on silicon substrates, the material most of today’s semiconductor devices are based on. This leads to orders of magnitude lower production costs, however results in side effects that have to be mitigated with a good understanding of the processes occurring in the device. A carbon-doped buffer is needed to insulate the electrically active device area from the conductive silicon substrate, while silicon nitride (SiN) based passivation protects the surface. Both of these locations provide electron trapping sites which are filled during stress conditions. These trapped electrons lead to transient drift effects, such as dynamic ON-resistance (RDS,on) and threshold voltage shift (∆VTH).To better understand how active hole injection from a p-doped GaN region between the gate and the drain (p-drain) affects the recovery during and after hot-carrier stress, two Source-Measure-Unit (SMU) setups were investigated and compared. The effect of hole injection from the p-drain after hot-carrier stress was compared to hole injection from the p-GaN gate. This resulted in similar time constants, leading to the conclusion that fast lateral hole transport at the AlGaN back-barrier renders the lateral position of the hole injection site irrelevant within the measurement accuracy of the setup.Another aspect that was investigated was active hole injection during hot-carrier stress. The Hybrid Drain-embedded Gate Injection Transistor (HD-GIT) is a commercially avail- able device, that uses this effect passively to reduce stress related performance degradation. A clear reduction of the degradation was observed at a drain voltage of 150 V, which was correlated with the applied hole current. For higher stress voltages (>300 V), the initial degradation was found to be independent of the applied hole current.In addition, the lateral hole transport properties of specially designed device structures were investigated at room temperature and at 150 ◦C. Four different epitaxy and process variations were available and tested using two different hole injection mechanisms. The hole diffusion constants of the carbon-doped buffer were calculated for hole injection from the p-GaN gate.