Investigation of 'high-k' materials as alternative dielectrics for AlGaN/GaN-based metal-insulator-semiconductor heterostructure field effect transistors (MISHFET)

Heidelberger, Gero; Lüth, Hans

doi:29540

Investigation of 'high-k' materials as alternative dielectrics for AlGaN/GaN-based metal-insulator-semiconductor heterostructure field effect transistors (MISHFET) = Untersuchung von „high-k” Materialien als alternative Dielektrika fürAlGaN/GaN-basierte Metall-Isolator-Halbleiter-Heterostruktur-Feldeffekt-Transistoren (MISHFET)

Heidelberger, Gero

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Gero Heidelberger

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangVIII, 190 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Zsfassung in dt. und. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Lüth, Hans (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-04-03

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-28929
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51235/files/Heidelberger_Gero.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Galliumnitrid (Genormte SW) ; High-k-Dielektrikum (Genormte SW) ; HEMT (Genormte SW) ; MOS (Genormte SW) ; Halbleiter (Genormte SW) ; Festkörperphysik (Genormte SW) ; Siliciumdioxid (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Gadoliniumscandat (frei) ; galliumnitride (frei) ; high-k-dielectric (frei) ; semiconductor (frei) ; solid-state-physics (frei) ; siliciumdioxide (frei) ; gadoliniumscandate (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gallium Nitrid (GaN) basierte Heterostruktur Feld-Effekt Transistoren (HFET) stellen vielversprechende Bauteile für Leistungsanwendungen bei hohen Frequenzen dar, die insbesondere von den Eigenschaften des GaN profitieren, das eine große Bandlücke aufweist und eine hohe Mobilität und Sättigungsgeschwindigkeit der Ladungsträger besitzt. In den letzten Jahren wurden Leistungsverbesserungen der Bauteile durch eine Isolierung der Steuerelektrode erreicht (MISHFET). Die vorliegende Arbeit trägt zu einer weiteren Verbesserung von GaN basierten MISHFETs bei, indem die Steuerelektrode mittels Material mit hoher Dielektrizitätszahl ("high-k") isoliert wird. Hierzu wird auf die neusten Fortschritte mit Gadolinium Scandat (GdScO3) und Hafnium Dioxid (HfO2) zurückgegriffen - Materialien, die in erster Linie auf ihre Tauglichkeit als SiO2-Ersatz in der CMOS Technologie untersucht werden. Um Experimente mit den anvisierten Bauteiltypen durchführen zu können, wurde die GaN Prozessierungstechnologie, modifiziert und erweitert. Im Besonderen wurden Techniken zur Deposition von high-k Material - darunter die Pulsed-Lased Deposition (PLD) und die Electron-Beam Evaporation (EBE) - untersucht und teilweise modifiziert. Ebenfalls wurden Methoden zur elektrischen Charakterisierung der Bauteile optimiert oder neu eingerichtet. Die ersten Experimente zielten auf die Herstellung und Charakterisierung von SiO2 Bauelementen, die im Verlauf der Arbeit als Referenz für high-k MISHFETs dienten. Die SiO2 Bauteile zeigten sich hinsichtlich eines niedrigen Leckstroms, eines hohen Ausgangsstroms und einer verbesserten RF Verstärkungsleistung als den konventionellen Bauteilen überlegen. Darüber hinaus wurden Einblicke in die Rolle von Passivierungseffekten und die Mechanismen des Strom-Transports bei MISHFETs gewonnen. Parallel dazu wurden erste Versuche unternommen, Isolationsschichten aus GdScO3 und HfO2 in Transistoren und Dioden einzubringen. Insbesondere konnte die Nachbehandlung deponierter GdScO3 Schichten in Sauerstoffatmosphäre als Schlüsselelement zur Herstellung von elektrisch-dichten GdScO3 Material identifiziert werden. Andererseits ergaben die Untersuchungen, dass HfO2 als Isolator für GaN basierte MISHFET nur bedingt geeignet ist. Dieses Ergebnis wurde auch durch theoretische Betrachtungen der relativen Lage der Energiebänder eines GaN/HfO2 Überganges bestätigt. Die sich anschließenden Experimente fokussierten auf die Verwendung von GdScO3 als Isolator der Steuerelektrode von Transistoren. Erste MISHFETs und MIS Dioden wurden erfolgreich hergestellt. Die elektrische Charakterisierung ergab, dass das GdScO3 Dielektrikum den Leckstrom um bis zu sieben Größenordnungen verringert. S-Parameter Messungen ergaben, dass GdScO3 Bauteile potenziell bei Frequenzen bis 60GHz betrieben werden können. Und "Load-Pull" Messungen zeigten, dass die Ausgangsleistung bei 7GHz im Vergleich zu konventionellen Bauteilen mehr als verdoppelt werden kann. Die demonstrierten Stärken des Gate-isolierenden GdScO3 hinsichtlich der Verringerung des Leckstromes, der Erhöhung der Strom-Steuerwirkung und der Verdopplung der Ausgangsleistungs zeigen, dass der GdScO3 MISHFET sowohl eine Verbesserung gegenüber konventionellen HFETs darstellt, als auch die SiO2 MISHFET Variante übertrifft.

Gallium Nitride (GaN) based heterostructure field-effect transistors (HFET) are promising devices for high-power applications at high frequencies, as to be found in communication 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-k material, taking up latest advances with Gadolinium Scandate and Hafnium Dioxide - materials which are primarily intended to serve as a substitute for SiO2 in CMOS technology. To perform experiments with this novel kind of MISHFETs, the processing technology for the fabrication of HFETs, which has been well established at the IBN, was modified and extended. In particular, deposition techniques for the high-k materials - 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 for the subsequent studies with high-k material. The SiO2 devices proved to be superior to conventional HFETs in terms of a low gate leakage, a high drain current, and improved RF power performance. Furthermore, insights into the role of surface passivation in MISHFETs were gained and the gate current mechanisms were studied. In parallel, first attempts to incorporate GdScO3 and HfO2 insulation layers into diodes and transistors were performed. In particular, annealing in O2 atmosphere was identified to be a key element to gain electrically dense GdScO3 material. On the other hand, HfO2 was found to be an unsuitable material to serve in GaN-based MISHFETs, which was also confirmed by theoretical considerations regarding the GaN/HfO2 energy band offsets. The subsequent experiments focused on GdScO3 to be used as gate insulation. First MISHFETs and MIS diodes were fabricated successfully. Electrical characterization revealed, that the GdScO3 dielectric reduces the gate leakage currents by up to seven 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, GdScO3 was demonstrated to be a promising candidate for MISHFETs 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 SiO2 MISHFETs. Besides the demonstration of the superior performance of GdScO3 MISHFETs, this study also identifies aspects for further optimization.

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