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GaN-basierende Feldeffekttransistoren für die Hochtemperatur- und Hochleistungselektronik

Shaker,
Buch
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Kurzbeschreibung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Herstellung, Charakterisierung und Optimierung von Feldeffekttransistoren auf der Basis der III-Nitride. Aufgrund der herausragenden Eigenschaften dieses Materialsystems wie hohe Durchbruchfeldstärke, hohe Ladungsträgerdichten und -geschwindigkeiten sowie seiner chemischen und thermischen Stabilität eignen sich GaN-basierende Transistoren hervorragend für den Einsatz im Hochleistungs-/Hochfrequenzbetrieb und für Hochtemperaturanwendungen.
Im Gegensatz zu SiC, welches vergleichbare Materialeigenschaften wie GaN hat und damit als erster Konkurrent im Bereich der elektronischen Bauelemente anzusehen ist, besteht bei den III-Nitriden die Möglichkeit, durch Kopplung von Halbleitern unterschiedlicher Bandabstände Heterostrukturfeldeffekttransistoren (HFETs) herzustellen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde dies durch AlGaN/GaN- Heterostrukturen realisiert. Dabei bildet sich am AlGaN/GaN-Heteroübergang ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG), wodurch eine weitere Verbesserung der Transistoreigenschaften im Vergleich zum MESFET erzielt werden konnte. Zum einen spiegelt sich dies in einer Erhöhung der Elektronenbeweglichkeit und -geschwindigkeit im Kanal wider. Andererseits steigt auch die Durchbruchfestigkeit der Gate-Elektrode, da bei Heterostrukturfeldeffekttransistoren der Schottky-Kontakt auf dem Halbleiter mit der größeren Bandlücke hergestellt wird.
Die zur Verfügung stehenden Heterostrukturen wurden sowohl mit MOCVD als auch mit MBE gewachsen. Die Materialeigenschaften der Heterostrukturen mit Elektronenbeweglichkeiten von ca. 1000 cm 2 /Vs und Ladungsträgerdichten von 0,8- 1x10 13 cm -2 sind für beide Herstellungsmethoden verglichen mit dem internationalen Stand als sehr gut zu bezeichnen. Dabei kamen sowohl dotierte als auch undotierte Transistorstrukturen zum Einsatz. Während im ersten Fall die Transistor-Philosophie des modulationsdotierten FET Verwendung fand, wurde im zweiten Fall die bei den III-Nitriden eingebaute spontane und piezoelektrische Polarisation ausgenutzt. Hierbei entsteht aufgrund des Polarisationssprunges am Heteroübergang ebenfalls ein 2DEG, diese Transistoren werden daher PI-HEMTs (Polarization Induced High Electron Mobility Transistors) genannt.
Das zentrale Ziel dieser Arbeit war es, einen AlGaN/GaN-Transistor-Prozess zu entwickeln, welcher die Einsatzfähigkeit der Transistoren sowohl für Leistungsanwendungen als auch für den Einsatz bei hohen Temperaturen möglich macht. Die hierfür notwendigen Herstellungsschritte sind: Ohmscher Kontakt, Bauelemente-Isolation, Gatekontakt, Passivierung und Verbindungsmetallisierung sowie die Luftbrückentechnik. Im Hinblick auf die ohmsche Ebene muss der Kontaktwiderstand niederohmig sein, andererseits muss er aber auch eine gute Morphologie zeigen, um die Transistordimensionen reduzieren zu können, was automatisch geringere Zuleitungswiderstände und damit ein besseres Hochfrequenzverhalten nach sich zieht. Mit dem verwendeten Ti/Al/Ti/Au- Kontaktsystem konnten Kontaktwiderstände von 0,5 Ωmm realisiert werden, die für AlGaN/GaN-HFETs weltweit zu den besten zählen. Eine zusätzliche WSiN- Deckschicht bewirkt bei gleichen Widerständen eine hervorragende Kontaktmorphologie mit scharf definierten Kontakträndern. Aus den Alterungsuntersuchungen konnte eine thermische Stabilität der Kontaktmetallisierung bis 500°C nachgewiesen werden.
Für die Gate-Metallisierungen wurden verschiedene Kontaktsysteme untersucht. Einerseits zeigen Platin- und Iridium-basierende Kontakte vergleichbare Schottky- Eigenschaften mit Barrierenhöhen von ca. 1 eV. Andererseits unterscheiden sich diese Metallisierungen hinsichtlich ihrer thermischen Stabilität. Während Ptbasierende Schottky-Kontakte starke Degradation nach Alterung bei 400°C zeigen, sind Ir/Au-Kontakte mit Barrierenhöhen von 1 eV bis 500°C stabil. Damit konnte mit den in dieser Arbeit entwickelten Ohm- und Schottky-Metallisierungen thermische Stabilität von AlGaN/GaN-HFETs bis 500°C erreicht werden.
Neben der Herstellung von Hochtemperaturtransistoren war ein weiterer Aspekt die Realisierung von Leistungstransistoren. Wie auch schon von anderen Forschergruppen berichtet wurde, zeigen GaN-basierende Transistoren eine starke Abhängigkeit von den Messbedingungen. Im Ausgangskennlinienfeld zeigt sich dies in Form einer Hysterese, im Hochfrequenzbetrieb äußert sich dies als Dispersion. Letzteres bedeutet, dass die aus den Gleichstromeigenschaften vorhergesagte HF- Ausgangsleistung nicht annähernd gemessen wird. Der Grund hierfür ist in Elektroneneinfangstellen im Bereich der Halbleiteroberfläche zwischen Gate und Drain zu suchen. Durch eine geeignete Oberflächenbehandlung ist es möglich, die Hysterese zu reduzieren, weshalb im Anschluss an die Herstellung der Gatekontakte die Transistoren mit einer Siliciumnitrid-Schicht passiviert wurden. Damit konnte die HF-Ausgangsleistung bei 2 GHz um das Dreifache auf 2,86 W/mm erhöht werden, der Wirkungsgrad (PAE) beträgt 47%, die Verstärkung 10 dB. Dieses Ergebnis gehört zu den besten bisher publizierten Werten für AlGaN/GaN-HFETs auf Saphir-
Substrat. Bei einer Gatelänge von 1 µm betragen die Grenzfrequenzen fT und fmax dieses Transistors 11 und 38 GHz.
Neben der Optimierung der einzelnen Herstellungsschritte war es ein weiteres Ziel dieser Arbeit, die Industriekompatibilität a) des Prozesses und b) der Epitaxieschichten zu zeigen. Hierzu wurde der mit Hilfe der Kontaktlithographie entwickelte Prozess auf den Waferstepper übertragen. Die Ergebnisse zeigen sowohl in ihren Absolutwerten als auch in der Homogenität hervorragende Qualität. 3% Standardabweichung der Gleichstromeigenschaften über einen 2-Zoll-Wafer bedeutet den besten Wert, der bisher publiziert wurde. Aus einer intrinsischen Steilheit von 270 mS/mm ergibt sich eine über den Wafer homogen verteilte effektive Elektronengeschwindigkeit von 1,1x10 7 cm/s. Bei einer Gatelänge von 510 nm gehört dies ebenfalls zu den besten bisher publizierten Werten. Die Grenzfrequenzen fT und fmax betragen im Mittel 23 und 57 GHz.
Damit spiegeln die im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Transistoren die herausragenden Eigenschaften der III-Nitride in ihrer gesamten Bandbreite wider. Die Bauelemente sind bis 500°C thermisch stabil. Die Transistoren zeigen Ausgangsleistungen, welche das Dreifache von GaAs-basierenden Heterostrukturfeldeffekttransistoren betragen. Mithilfe des Stepperprozesses konnte eine 2-Zoll-Homogenität der Transistorkenndaten erreicht werden, die die Qualität sowohl der Epitaxieschichten als auch der Prozesstechnologie eindrucksvoll unter Beweis stellt, wodurch der industrielle Einsatz von AlGaN/GaN-HFETs in absehbarer Zeit möglich sein sollte.
Ausblickend ist festzuhalten, dass für eine weitere Erhöhung der Ausgangsleistung in erster Linie ein wärmeleitfähiges Substrat (SiC) verwendet werden muss. Darüber hinaus verspricht die Verwendung der „Thermal-Shunt-Technologie“ in Verbindung mit der „Flip-Chip-Technologie“ eine weitere Verbesserung.

Details
Schlagworte

Titel: GaN-basierende Feldeffekttransistoren für die Hochtemperatur- und Hochleistungselektronik
Autoren/Herausgeber: Jochen Hilsenbeck
Aus der Reihe: Berichte aus der Halbleitertechnik

ISBN/EAN: 9783826597084

Seitenzahl: 178
Format: 21 x 14,8 cm
Produktform: Taschenbuch/Softcover
Gewicht: 267 g
Sprache: Deutsch

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