Charge trapping and single-defect extraction in Gallium-Nitride based MIS-HEMTs

Abstract

Wesentliche Sektoren wie der Individualverkehr und der öffentliche Verkehr werden in Zukunft immer stärker elektrifiziert werden, deshalb wird auch der Trend Elektrizität als Primärenergiequelle zu nutzen zunehmen. Um die internationalen CO2-Emissionsziele zu erreichen, werden nicht nur Produktion und Verbrauch, sondern auch die Umwandlungseffizienz von Elektrizität in Zukunft eine entscheidende Rolle spielen. Das ständig wachsende Interesse an Halbleitern mit großer Bandlücke, wie zum Beispiel Gallium-Nitrid (GaN) oder Silizium-Karbid (SiC), ist hauptsächlich durch ihre fundamentalen Materialeigenschaften begründet. Sie ermöglichen im Vergleich zur Siliziumtechnologie die Herstellung von wesentlich effizienteren Energieumwandlungssystemen. GaN-basierte Transistoren, oft als HEMTs oder MIS-HEMTs bezeichnet, gehören zu den vielversprechendsten Kandidaten für neuartige Konzepte von Leistungshalbleitern, da sie eine hohe Durchbruchspannung bei gleichzeitig niedrigem Einschaltwiderstand aufweisen. Deswegen beginnt diese Dissertation mit einer Einführung in das Materialsystem und einer Erklärung der modernsten Konzepte für selbstleitende und selbstsperrende Transistoren. Gravierende Zuverlässigkeitsprobleme üblicherweise verbunden mit dem Einfang von Ladungen in Defekten verhindern derzeit eine noch größere Marktverbreitung, obwohl einige Bauteile bereits im Handel erhältlich sind. Ein detailliertes physikalisches Verständnis des Ursprungs und der Auswirkungen dieser Defekte ist von äußerster Wichtigkeit um die Zuverlässigkeit zukünftiger GaN-Technologien zu verbessern. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt daher auf der Charakterisierung und Modellierung von Defekten, die für die Degradation der Schwellspannung in GaN verantwortlich sind. Bereits unter normalen Betriebsbedingungen leiden diese Bauelemente oft schon unter großen Instabilitäten. Daher müssen auch etablierte Methoden für die Charakterisierung und Zuverlässigkeitsmodellierung von Defekten in der Siliziumtechologie nochmals sorgfältig auf ihre Anwendbarkeit auf die GaN-Technologie überprüft werden. Die elektrostatische Rückkopplung von eingeschlossenen Ladungen ist ein wichtiges Phänomen, das bei Studien über die Bias-Temperaturinstabilität in der Regel nicht berücksichtigt wird. Die Bedeutung dieser Effekte für die Degradation von GaN/AlGaN MIS-HEMTs und ihre Auswirkungen auf die Modellierung von Defekten ist daher eines der wichtigsten Ergebnisse dieser Arbeit. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung von robusteren Methoden zur Berechnung der Parameter von Einzeldefekten in GaN/AlGaN Fin-MIS-HEMTs. Die vorgestellten Methoden werden anschließend auch verwendet um die charakteristischen Zeitkonstanten aus den stochastischen Ladungseinfangund Emissionsereignissen zu erhalten. Die Auswertung der Messungen bei verschiedene Spannungen und Temperaturen ermöglicht es auch, andere Parameter wie die vertikalen Defektpositionen oder das Energieniveau der Defekte zu berechnen. Hierbei wird angenommen, dass die Übergänge durch die NMP-Theorie beschrieben werden. Die Physik der Ladungsrückkopplung durch Degradation und die Extraktion von Parametern aus Einzeldefekten kann als ein erster Schritt zur Identifizierung jener mikroskopischer Defekte gesehen werden, welche für Degradation in GaN-Technologien verantwortlich sind. Ein vielversprechender Ansatz für zukünftige Studien ist der direkte Vergleich von Messungen an großflächigen und nano-Bauelementen mit TCAD und First-Principle-Simulationen. Daher können die Ergebnisse dieser Dissertation einen wertvollen Beitrag zur zukünftigen Verbesserung von GaN-Technologien liefern.

The trend to use electricity as a primary energy source will ever increase as major sectors like the individual and public transport are going to be more and more electrified. To meet the international goals on carbon emission, not only the production and consumption but also the conversion efficiency of electricity is going to play a crucial role. The ever-growing interest in wide-bandgap semiconductors like gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC) is primarily driven by their fundamental material properties, which allow building much more efficient power conversion systems when compared to silicon technology. GaN-based transistors, commonly called high-electron-mobility transistors (HEMTs) or metalinsulator-semiconductor HEMTs (MIS-HEMTs), are among the most attractive candidates for novel power semiconductor device concepts because of their high breakdown voltage as well as their low specific on-resistance. Therefore, this work starts with an introduction of the material system, and state-of-the-art concepts for normally-on and normally-off devices. Although first devices are already commercially available, severe reliability issues usually related to charge trapping are still preventing them from a more widespread acceptance. To improve the reliability of future GaN technology, a detailed physical understanding of the origin and the effects of these defects is of utmost importance. The focus of this work lies on the characterization and modeling of the defects responsible for bias temperature instability (BTI) degradation in GaN MIS-HEMTs, which usually suffer from large Vth instabilities already at nominal operating conditions. Therefore, well-established methods for BTI characterization and reliability modeling in silicon need to be checked carefully for their applicability to GaN technology. One important phenomenon which is usually not considered in BTI studies for silicon technology is the electrostatic feedback of the trapped charges. Highlighting the importance of charge feedback effects on the observed BTI degradation of GaN/aluminium gallium nitride (AlGaN) MIS-HEMTs and its impact on defect modeling is one of the main findings presented in this thesis. Another focus is the development of more robust methods for the calculation of single-defect parameters from random telegraph noise (RTN) measurements in nano-scale GaN/AlGaN fin-MIS-HEMTs. The presented methods are used to obtain the characteristic time constants from the stochastic charge capture and emission events of RTN producing defects. Repeating those extractions for different bias conditions and temperatures allows to calculate other defect parameters like the vertical defect position or the trap level by assuming the transitions being governed by the non-radiative multi-phonon (NMP) theory. The insights into the physics of charge feedback caused by BTI degradation in large-area devices and the methods provided for the extraction of single-defect parameters from GaN/AlGaN MIS-HEMTs can be seen as a first step towards the identification of the microscopic defect structures responsible for BTI degradation in GaN technology. A promising path towards this goal would be the comparison of measurements on large-area and nano-scale devices with technological computer aided design (TCAD) and first-principle simulations. Therefore, this thesis can be a valuable contribution to future improvements of GaN technology.