Investigation of advanced GaN HEMTs for digital and high frequency applications

Al Mustafa, Nader GND

The physical features of Gallium nitride (GaN) and the related materials make them very suitable for the fabrication of power semiconductor devices. The large band gap and high electrical breakdown field strength of GaN in combination with high-density two-dimensional electron gases induced by polarization in AlGaN/GaN interface enables the development of transistors with high off-state voltages, low on-state resistances and low switching charges. However the transistors made of conventional GaN HEMTs have already approached their performance limit. In order to meet the future needs of power semiconductor devices, research efforts are being put on nonclassical HEMT concepts e.g. superjunction GaN HEMTs, PNT GaN HEMTs and GaN MIS FETs or on using a new barrier materials such AlScN and AlYN. This work aims to push GaN technology by new approaches in design and characterization of highly-efficient GaN transistors in order to release its full potential. The aim of the present work is the evaluation of different nonclassical GaN HEMT concepts regarding their performance and suitability for logic, power-switching and RF ampflication applications and to define their design space. The investigations are based on numerical device simulations supported by analytical calculations. It is shown that the simple and robust drift-diffusion model is well suited for the simulation of such nonclassical devices. The co-existence of two dimensional- electron and hole gases in GaN-based heterostructures is investigated by means of analytical models, developed in the frame of this work, and self-consistent numerical solutions of the Schrödinger and Poisson equations. It is shown that for certain combinations of bias conditions and layer design coexisting 2DEGs and 2DHGs can be formed in GaN/AlGaN/GaN structures, where the 2DHG is located at the cap/barrier interface and the 2DEG resides at the barrier/bulk interface. Once a 2DHG is created, the effect of the gate voltage on the 2DEG diminishes rapidly and a saturation of the 2DEG density is observed. Furthermore, in structures with thin barriers it is much more difficult to create a 2DHG even for large surface potentials. The formation of second channel in AlGaN/GaN/AlGaN/GaN heterostructures has been investigated. It has been shown that for certain combinations of bias conditions and layer design coexisting two channels can be formed in AlGaN2/GaN2/AlGaN1/GaN1 structures where both channels are located at the AlGaN1/GaN1 and AlGaN2/GaN2. Once a second channel is created, the effect of the gate voltage on the first 2DEG diminishes rapidly and a saturation of the drain current is observed. Special attention was paid to a novel vertical inverter design by employing these two channels. On the other hand, theoretical investigations of AlGaN/GaN HEMT structures for power switch applications focus on the estimation of oxide interface charges in MIS HEMT structures and on two simulation studies dealing with alternative normally-off HEMT concepts. The study on oxide interface charges is based on a comparison of measured and simulated threshold voltages of HEMTs with and without an oxide layer underneath the gate. Moreover, we developed a simple analytical threshold voltage model for the MIS HEMT structure which can be used to estimate the interface charge with a pocket calculator. We propose also a new approach to combine the effect of a p-type doped cap layer with that of a gate oxide for designing and achieving normally-off HEMT. We focus on the structures proposed by Ota et al. using 1D Schrödinger-Poisson simulations and analytical models. In particular, our analytical model shows that the threshold voltage is independent on the thicknesses of both the PNT layer and the strained GaN channel layer. Additionally, we discuss options to increase the electron sheet density in the ungated regions in order to reduce the source/drain resistances. Moreover, gated cubic InGaN/InN heterostructures for application in InN-based HEMTs are investigated theoretically. The formation of two-dimensional carrier gases in InGaN/InN structures is studied in detail and design issues for the InGaN barrier are investigated. It is shown that for certain surface potentials an undesirable saturation of the sheet density of the electron gas in the InN channel layer may occur. Options to enhance the electron sheet density in the channel and surface potential ranges for proper transistor operation are presented. Finally, the formation of two-dimensional electron gases in lattice-matched AlScN/GaN and AlYN/GaN heterostructures is investigated by numerical self-consistent solutions of the Schrödinger and Poisson equations. The electron concentration profiles and the resulting 2DEG sheet densities in these heterostructures are calculated and compared to those occurring at AlGaN/GaN interfaces. The combined effect of the strong polarization-induced bound charges and the large conduction band offsets at the AlScN/GaN and AlYN/GaN heterojunctions results in the formation of 2DEGs with very high electron sheet densities.about 4 … 5 times as large as those in Al0.3Ga0.7N/GaN. Our results demonstrate the potential of AlScN and AlYN barriers for GaN-based high electron mobility transistors.

Die physikalischen Eigenschaften des Galliumnitrid (GaN) und der darauf basierenden Materialien eignen sich besonders zur Herstellung von leistungselektronischen Bauelementen. Die große Bandlücke und hohe elektrische Durchbruchfeldstärke von GaN in Kombination mit einem zweidimensionalen Elektronengas hoher Dichte durch induzierte Polarisation in der AlGaN/GaN-Grenzfläche ermöglicht die Entwicklung von Transistoren mit hohen Sperrspannungen, niedrigen Durchlasswiderständen und niedrigen Schaltladungen. Die aus herkömmlichen GaN-HEMTs hergestellten Transistoren haben jedoch bereits ihre Leistungsgrenze erreicht. Um die zukünftigen Bedürfnisse von leistungselektronischen Bauelementen zu erfüllen, werden Forschungen zu nichtklassischen HEMT-Konzepten, zum Beispiel Superjunction GaN-HEMT, PNT GaN-HEMTs oder zu neuartigen Barrierematerialien durchgeführt. Diese Arbeit will die GaN-Technologie durch neue Ansätze in Design und Charakterisierung hocheffizienter GaN-Transistoren vorantreiben, um ihr volles Potential zu entfalten. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, verschiedene nichtklassische GaN HEMT-Konzepte hinsichtlich ihrer Performance sowie ihrer Eignung für zukünftige Logik, leistungselektronisch und RF Anwendungen zu bewerten und ihren Designspielraum einzugrenzen. Die Untersuchungen basieren auf numerischen Bauelementesimulationen unter Zuhilfenahme analytischer Berechnungen. Es wird gezeigt, dass das einfache und robuste Drift-Diffusionsmodell für die Simulation solcher nichtklassischen Bauelemente geeignet ist. Die Koexistenz von zweidimensionalen Elektronen- und Löchergasen in GaN-basierten Heterostrukturen wird mittels analytischer Modelle, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurden, und selbstkonsistenten numerischen Lösungen der Schrödinger- und Poisson-Gleichungen untersucht. Es kann gezeigt werden, dass für bestimmte Kombinationen von Bias-Bedingungen und Schichtdesign koexistierende 2DEGs und 2DHGs in GaN/AlGaN/GaN-Strukturen gebildet werden können, wobei sich das 2DHG an der Grenzfläche zwischen Grenzfläche und Grenzfläche befindet. Sobald ein 2DHG erzeugt ist, nimmt der Effekt der Gate-Spannung auf das 2DEG schnell ab und eine Sättigung der 2DEG-Dichte wird beobachtet. Außerdem ist es in Strukturen mit dünnen Barrieren viel schwieriger, ein 2DHG selbst für große Oberflächenpotentiale zu erzeugen. Die Formierung eines zweiten Kanals in AlGaN/GaN/AlGaN/GaN Heterostrukturen wurde untersucht. Es wurde gezeigt, dass für bestimmte Kombinationen von Bias-Bedingungen und Schichtdesign koexistierende zwei Kanäle in AlGaN2/GaN2/AlGaN1/GaN1-Strukturen gebildet werden können, wobei sich beide Kanäle am AlGaN1/GaN1 und AlGaN2/GaN2 befinden. Sobald der zweite Kanal erzeugt ist, nimmt die Wirkung der Gate-Spannung auf das erste 2DEG schnell ab und eine Sättigung des Drain-Stroms wird beobachtet. Besondere Aufmerksamkeit wurde auf einen neuartigen Inverter mit vertikalem Aufbauen gelegt, indem diese zwei Kanäle verwendet wurden. Andererseits konzentrieren sich theoretische Untersuchungen von AlGaN/GaN-HEMT-Strukturen für leistungselektronische Anwendungen auf die Abschätzung von Oxidgrenzflächenladungen in MIS-HEMT-Strukturen, und es werden zwei Simulationsstudien zu alternativen selbstsperrenden HEMT-Konzepten vorgestellt. Die Untersuchung von Oxidgrenzflächenladungen basiert auf einem Vergleich von gemessenen und simulierten Schwellenspannungen experimenteller HEMTs mit und ohne Al2O3-Schicht unter dem Gate. Wir finden, dass in beiden Fällen die geschätzte Oxidgrenzflächenladung die gleiche ist. Darüber hinaus entwickelten wir ein einfaches analytisches Schwellenspannungsmodell für die MIS HEMT Struktur, mit dem die Grenzflächenladung mit einem Taschenrechner abgeschätzt werden kann. Wir schlagen auch einen neuen Ansatz vor, bei dem die Wirkung einer p-dotierten Deckschicht mit der eines Gateoxids kombiniert wird, um einen selbstsperrenden HEMT zu erreichen. Wir konzentrieren uns auf die von Ota et al. mit 1D-Schrödinger-Poisson-Simulationen. Insbesondere zeigt unser analytisches Modell, dass die Schwellenspannung unabhängig von der Dicke sowohl der PNT-Schicht als auch der gespannten GaN-Kanalschicht ist. Darüber hinaus diskutieren wir Optionen zur Erhöhung der Elektronendichte in den ungesteuerten (ungated) Bauelementbereichen, um die Source/Drain-Widerstände zu reduzieren. Darüber hinaus werden gated kubische InGaN/InN-Heterostrukturen für die Anwendung in InN-basierten Transistoren mit hoher Elektronenmobilität theoretisch untersucht. Die Bildung zweidimensionaler Trägergase in InGaN/InN-Strukturen wird im Detail untersucht und Designprobleme für die InGaN-Barriere untersucht. Es wird gezeigt, dass für bestimmte Oberflächenpotentiale eine unerwünschte Sättigung der Schichtdichte des Elektronengases in der InN-Kanalschicht auftreten kann. Optionen zur Verbesserung der Elektronendichte in den Kanal- und Oberflächenpotentialbereichen für einen geeigneten Transistorbetrieb werden vorgestellt. Abschließend wird die Bildung zweidimensionaler Elektronengase (2DEGs) in gitterangepassten AlScN/GaN- und AlYN/GaN-Heterostrukturen durch numerische selbstkonsistente Lösungen der Schrödinger- und Poisson-Gleichungen untersucht. Die Elektronenkonzentrationsprofile und die resultierenden 2DEG-Schichtdichten in diesen Heterostrukturen werden berechnet und mit denen verglichen, die an AlGaN/GaN-Grenzflächen auftreten. Die kombinierte Wirkung der stark polarisationsinduzierten gebundenen Ladungen und der großen Leitungsbandoffsets an den AlScN/GaN- und AlYN/GaN-Heteroübergängen führt zur Bildung von 2DEGs mit sehr hohen Elektronendichtedichten. Für die AlScN/GaN- und AlYN/GaN-Heterostrukturen werden 2DEG-Schichtdichten von etwa 4 bis 5-mal so groß wie für Al0,3Ga0,7N/GaN-Strukturen berechnet. Unsere Ergebnisse demonstrieren das Potenzial von AlScN- und AlYN-Barrieren für GaN-basierte Transistoren mit hoher Elektronenmobilität.

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Al Mustafa, N., 2020. Investigation of advanced GaN HEMTs for digital and high frequency applications. Ilmenau.
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