Alexewicz, A. (2014). GaN-based heterostructures for normally-off high electron mobility transistors [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/78543
Die Forschung an GaN-basierten Heterostrukturen hat in den letzten Jahren einen starken Aufschwung erlebt, da diese ein großes Potential für die Verwendung in optoelektronischen (Leuchtdioden, Laser mit Wellenlängen im Telekommunikationsbereich) und elektronischen Bauelementen (Dioden, Transistoren) besitzen. Diese Arbeit konzentriert sich auf verschiedene Aspekte des Heterostrukturdesigns für GaN-basierte -high electron mobility transistors- (HEMTs) mit InAlN-, AlGaN- und AlN-Barrieren und Si-Substraten. Substratvariationen, Passivierungsbehandlungen und verschiedene Barrierenmaterialien werden hinsichtlich des Gebrauchs in Bauelementen vom Anreicherungstyp analysiert. GaN-HEMTs sind vorgesehen für Hochleistungs-, Hochfrequenz- und Hochtemperaturanwendungen. Daher müssen sie großen Leistungsdichten standhalten, was die Abfuhr von Wärme zu einem wesentlichen Faktor macht. Ein Kompositsubstrat, bestehend aus Si-Diamant-Si, wird eingeführt, um die herausragende thermische Leitfähigkeit der diamantenen Zwischenschicht für eine Verbesserung der Wärmeverteilung ins Substrat zu nutzen. Es werden thermische Analysen von Bauelementen, angefertigt sowohl auf dem Komposit-, als auch auf Si-Substrat, durchgeführt, und die Kanaltemperatur wird experimentell und mittels Simulation bestimmt. Mithilfe von weiteren Simulationen, die Variationen des Substrates und der GaN-Heterostruktur berücksichtigen, werden drei Hauptaspekte für die erfolgreiche Verringerung der Kanaltemperaturen von HEMTs aufgezeigt. Durch die Anwendung einer in-situ-SiN-Oberflächenpassivierung, die in einem Zug mit der darunterliegenden Heterostruktur gewachsen wird, sind GaN-HEMTs gegen physikalische und chemische Einwirkungen geschützt. Es wird eine Oberflächenbehandlung für eine 5nm dicke in-situ-SiN-Schicht entwickelt, die zu einer Verbesserung der Bauelementleistung führt, was in Zusammenhang mit der Verminderung der Oberflächenstörstellendichte gebracht wird. Nach der Behandlung kann die Probe weiter prozessiert werden, und nach der folgenden Abscheidung von 25nm konventionell gewachsenem SiN besitzen die HEMTs vergleichbare Eigenschaften wie Bauelemente mit 30nm in-situ-SiN-Passivierung. Es werden Anreicherungstyp-Bauelemente mit ZrO2-Gateoxiden und ultradünnen InAlN-Barrieren hergestellt. Eine positive Schwellenspannung von 2.3V wird für eine Gateoxiddicke von 10nm erreicht. Bei einer Vergrößerung der Oxidschichtdicke nimmt die Schwellenspannung linear ab. Dieser Effekt wird einer fixen positiven Ladungsdichte an der Oxid/Barriere-Grenzfläche zugeschrieben. Unter Verwendung von Bauelementen mit AlGaN/GaN-Heterostrukturen werden Gateoxide hinsichtlich der Reduktion des Gateleckstroms und geringer Dichte von aktiven Störstellen an der Oxid/Barriere-Grenzfläche optimiert. Durch Entfernung der in-situ-SiN-Passivierung im Gatebereich bei Bauelementen mit dünnen AlGaN- und AlN-Barrieren werden HEMTs vom Anreicherungstyp hergestellt und analysiert.
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The research on GaN-based heterostructures has been intensified in the past years, since they have a great potential for the use in optoelectronic (e.g. light emitting diodes, lasers at telecommunication wavelengths) and electronic devices (diodes, transistors). This thesis focuses on various aspects of heterostructure design for GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs) with InAlN, AlGaN and AlN barriers and Si substrates. Substrate variations, passivation treatments and different barrier materials are analyzed for their use in devices for normally-off operation. GaN HEMTs are envisaged for high power, high frequency and high temperature applications. Thus, they have to endure high power densities, which makes heat management very important. A composite Si-diamond-Si substrate is introduced in order to use the outstanding thermal conductivity of the diamond interlayer to improve the heat distribution from the device through the substrate. Thermal analyses of devices, fabricated on both composite and Si substrates, are performed and the channel temperature is estimated experimentally and by simulations. Together with further simulations of substrate and GaN heterostructure variations three key aspects are identified for a successful reduction of the channel temperature of the HEMTs. With an in situ SiN surface passivation, grown in the same run as the underlying heterostructure, GaN HEMTs are well-protected against physical and chemical deterioration. A surface treatment for a 5nm thin in situ SiN layer is developed, which leads to an improvement of the device performance, being related to a reduction of the surface trap density. After the treatment the sample can be processed further, and subsequent deposition of 25nm conventionally grown SiN leads to a device performance comparable to devices with 30nm in situ SiN passivation. Normally-off devices are fabricated with ZrO2 gate oxides and ultrathin InAlN barriers. A positive threshold voltage of 2.3V is achieved for a gate oxide thickness of 10 nm. Increasing the oxide thickness results in a linear decrease of the threshold voltage. This dependence is related to a density of fixed positive charges at the oxide/barrier interface. Gate oxides are optimized in terms of decreasing the gate leakage current and the density of active traps at the oxide/barrier interface using devices on AlGaN/GaN heterostructures. In order to achieve normally-off HEMTs by recessing the in situ SiN passivation in the gate area devices with thin AlGaN and AlN barriers are fabricated and analyzed.