Untersuchung vonhigh-k Materialien als alternative Dielektrika für AlGaN/GaN-basierte Metall-Isolator-Halbleiter-Heterostruktur-Feldeffekt-Transistoren (MISHFET) [Elektronische Ressource] = Investigation of high-k materials as alternative dielectrics for AlGaN/GaN-based metal-insulator-semiconductor heterostructure field effect transistors (MISHFET) / vorgelegt von Gero Heidelberger

Gero Heidelberger

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• Physik

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 27
• Langue: Deutsch
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Extrait

Untersuchung von “high-κ” Materialien als alternative Dielektrika fu¨r
AlGaN/GaN-basierte Metall-Isolator-Halbleiter
Heterostruktur-Feldeffekt-Transistoren (MISHFET)
Investigation of “high-κ” materials as alternative dielectrics for
AlGaN/GaN-based metal-insulator-semiconductor heterostructure field
effect transistors (MISHFET)
Von der Fakult¨at fu¨r Elektrotechnik und Informationstechnik
der Rheinisch–Westf¨alischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften,
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur, Diplom-Kaufmann
Gero Heidelberger
aus Bremen
Berichter: Univ.-Prof. Dr. Dr. h.c. Hans Lu¨th
Univ.-Prof. Dr. Andrei Vescan
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 03.04.2009
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online
verfu¨gbar.iii
Zusammenfassung
Gallium Nitrid (GaN) basierte Heterostruktur Feld-Effekt Transistoren (HFET) stellen
vielversprechende Bauteilefu¨rLeistungsanwendungen beihohenFrequenzen dar,dieins-
besondere von den Eigenschaften des GaNprofitieren, das eine großeBandlu¨cke aufweist
und eine hohe Mobilit¨at und S¨attigungsgeschwindigkeit der Ladungstr¨ager besitzt.
IndenletztenJahrenwurdenLeistungsverbesserungen derBauteiledurcheineIsolierung
der Steuerelektrode erreicht (MISHFET). Die vorliegende Arbeit tr¨agt zu einer weit-
eren Verbesserung von GaN basierten MISHFETs bei, indem die Steuerelektrode mit-
tels Material mit hoher Dielektrizit¨atszahl (“high-κ”) isoliert wird. Hierzu wird auf die
neusten Fortschritte mit Gadolinium Scandat (GdScO ) und Hafnium Dioxid (HfO )3 2
zuru¨ckgegriffen - Materialien, die in erster Linie auf ihre Tauglichkeit als SiO -Ersatz in2
der CMOS Technologie untersucht werden.
Um Experimente mit den anvisierten Bauteiltypen durchfu¨hren zu k¨onnen, wurde die
GaN Prozessierungstechnologie, die am IBN fest etabliert ist, modifiziert und erweitert.
Im Besonderen wurden Techniken zur Deposition von high-κ Material - darunter die
Pulsed-Lased Deposition(PLD)unddieElectron-Beam Evaporation(EBE)-untersucht
undteilweisemodifiziert. EbenfallswurdenMethodenzurelektrischenCharakterisierung
der Bauteile optimiert oder neu eingerichtet, beispielsweise wurde die M¨oglichkeit zur
Vermessung von Isolatorstr¨omen neu geschaffen.
Dieersten Experimente zielten aufdie Herstellung undCharakterisierung von SiO Bau-2
elementen, die im Verlauf der Arbeit als Referenz fu¨r high-κ MISHFETs dienten. Die
SiO Bauteile zeigten sich hinsichtlich eines niedrigen Leckstroms, eines hohen Aus-2
gangsstroms und einer verbesserten RF Verst¨arkungsleistung als den konventionellen
Bauteilen u¨berlegen. Daru¨ber hinaus wurden Einblicke in die Rolle von Passivierungsef-
fekten und die Mechanismen des Strom-Transports bei MISHFETs gewonnen.
Parallel dazu wurden erste Versuche unternommen, Isolationsschichten aus GdScO und3
HfO in Transistoren und Dioden einzubringen. Insbesondere konnte die Nachbehand-2
lung deponierter GdScO Schichten in Sauerstoffatmosph¨are als Schlu¨sselelement zur3
Herstellung von elektrisch-dichten GdScO Material identifiziert werden. Andererseits3
ergaben die Untersuchungen, dass HfO als Isolator fu¨r GaN basierte MISHFET nur2
bedingt geeignet ist. Dieses Ergebnis wurde auch durch theoretische Betrachtungen der
¨relativen Lage der Energieb¨ander eines GaN/HfO Uberganges best¨atigt.2
Die sich anschließenden Experimente fokussierten auf die Verwendung von GdScO als3
Isolator der Steuerelektrode von Transistoren. Erste MISHFETs und MIS Dioden wur-
den erfolgreich hergestellt. Die elektrische Charakterisierung ergab, dass das GdScO3
DielektrikumdenLeckstromumbiszusiebenGr¨oßenordnungenverringert. S-Parameter
Messungen ergaben, dass GdScO Bauteile potenziell bei Frequenzen bis 60GHz be-3
trieben werden k¨onnen. Und “Load-Pull” Messungen zeigten, dass die Ausgangsleistung
bei 7GHz im Vergleich zu konventionellen Bauteilen mehr als verdoppelt werden kann.
Die demonstrierten St¨arken des Gate-isolierenden GdScO hinsichtlich der Verringerung3
des Leckstromes, der Erh¨ohung der Strom-Steuerwirkung und der Verdopplung der Aus-
gangsleistungs zeigen, dass der GdScO MISHFET sowohl eine Verbesserung gegenu¨ber3
konventionellen HFETs darstellt, als auch die SiO MISHFET Variante u¨bertrifft.2iv
Summary
Gallium Nitride (GaN)based heterostructure field-effect transistors (HFET)are promis-
ing devices for high-power applications at high frequencies, as to be found in communi-
cation technology. The devices benefit from the properties GaN has to offer, namely a
wide bandgap, a high carrier mobility and a high saturation velocity of carriers.
In recent years, improvements of the device performance were achieved by insulating the
gate electrode by means of a dielectric layer (MISHFETs). This study contributes to
the further improvement of GaN-based MISHFETs by insulating the gate with high-κ
material, taking up latest advances with Gadolinium Scandate and Hafnium Dioxide
- materials which are primarily intended to serve as a substitute for SiO in CMOS2
technology.
ToperformexperimentswiththisnovelkindofMISHFETs,theprocessingtechnologyfor
the fabrication of HFETs, which has been well established at the IBN, was modified and
extended. Inparticular,depositiontechniques forthehigh-κmaterials-e.g. pulsed-laser
deposition (PLD) and electron-beam evaporation (EBE) - were investigated and partly
modified. Also, methods for the electrical characterization of the processed devices were
optimized or established, in particular means to investigate currents through insulators
were established.
The first experiments conducted aimed at the fabrication and characterization of SiO2
MISHFETs, which served as a reference forthe subsequent studies with high-κ material.
The SiO devices proved to be superior to conventional HFETs in terms of a low gate2
leakage, a high drain current, and improved RF power performance. Furthermore, in-
sights intotheroleofsurfacepassivation inMISHFETswere gainedandthegatecurrent
mechanisms were studied.
In parallel, first attempts to incorporate GdScO and HfO insulation layers into diodes3 2
andtransistorswere performed. Inparticular, annealinginO atmosphere wasidentified2
to be a key element to gain electrically dense GdScO material. One the other hand,3
HfO was found to be an unsuitable material to serve in GaN-based MISHFETs, which2
was also confirmed by theoretical considerations regarding the GaN/HfO energy band2
offsets.
The subsequent experiments focused on GdScO to be used as gate insulation. First3
MISHFETs and MIS diodes were fabricated successfully. Electrical characterization
revealed, that the GdScO dielectric reduces the gate leakage currents by up to seven3
orders of magnitude. S-parameter measurements indicated the potential use of GdScO3
devices up to 60GHz, and Load-Pull measurements showed that the delivered output
power at 7GHz can be more than doubled compared to conventional devices.
In conclusion, GdScO was demonstrated to be a promising candidate for MISHFETs3
for high-power applications at high frequencies. The strengths in terms of gate leakage
reduction, channel control increase, and increase of RF power performance not only
outperforms conventional HFETs but also SiO MISHFETs. Besides the demonstration2
of the superior performance of GdScO MISHFETs, this study also identifies aspects for3
further optimization, e.g. leaves the breakdown characteristic room for improvements.Contents
I Introduction 1
1 Research Status Quo 5
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Objectives, Challenges, and Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Research at the IBN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Research of this Work 11
2.1 Approach, Challenges, and Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
II Fundamentals 15
3 Heterojunction Field Effect Transistor (HFET) 17
3.1 Gallium Nitride based Heterojunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 Heterojunction Field Effect Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4 Gate Dielectrics 23
4.1 Permittivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2 Insulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3 Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
5 Metal-Insulator-Semiconductor HFET (MISHFET) 29
5.1 DC Input Characteristic; The Gate-Source Capacitance . . . . . . . . . . 29
5.2 DC Input Characteristic; The Gate Current . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5.3 DC Output Characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.4 Small Signal Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.5 Large Signal Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45vi CONTENTS
III Experiments, Results, and Discussion 51
6 Silicon Dioxide Transistors 55
6.1 Passivation and Insulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.2 Silicon Dioxide Insulator Thickness . . . . . . . . . .