Design and performance analysis of Tri-gate GaN HEMTs

Media type: E-Book; Thesis

Title: Design and performance analysis of Tri-gate GaN HEMTs

Contributor: Alsharef, Mohamed [VerfasserIn]; Ziegler, Martin [AkademischeR BetreuerIn]; Krischok, Stefan [AkademischeR BetreuerIn]; Ganzner, Ralf [AkademischeR BetreuerIn]

Corporation: Technische Universität Ilmenau

imprint: Ilmenau: Universitätsbibliothek, [2020?]

Extent: 1 Online-Ressource (XIV, 126 Seiten); Diagramme, Illustrationen (teilweise farbig)

Language: English

Identifier:

Keywords: Leistungselektronik > HEMT > Galliumnitrid > Grenzflächenpotenzial

Origination:

University thesis: Dissertation, Technische Universität Ilmenau, 2020

Footnote: Tag der Verteidigung: 20.03.2020

Description: HEMTs (high electron mobility transistors) auf GaN-Basis besitzen großes Potenzial für die HF- (Hochfrequenz) und Leistungselektronik und werden bereits in HF-Leistungsverstärkern und als Leistungsschalter verwendet. Üblicherweise sind GaN HEMTs Normally-On Transistoren (d.h. Transistoren, die sich bei einer Gatespannung von 0 V im Ein-Zustand befinden), was für Anwendungen wie Fail-Safe-Leistungsschalter und HF-Verstärker mit nur einer Versorgungsspannung nachteilig ist. Es schwierig, GaN HEMTs mit Normally-Off-Charakteristik (HEMTs mit positiver Schwellspannung) zu realisieren, da in diesen Transistoren die Dichte des sich an der Grenzfläche Barriere/Puffer ausbildenden 2DEG (zweidimensionales Elektronengas) auf Grund starker Polarisationseffekte erheblich größer als in GaAs und InP HEMTs ist. Die Realisierung schneller HF-HEMTs erfordert kurze Gates. Allerdings leiden Transistoren mit sehr kurzen Gates häufig unter Kurzkanaleffekten und einer reduzierten Steuerwirkung des Gates, was zu einer Verschlechterung des Verhaltens im Aus-Zustand (erhöhte Werte für den Subthreshold Swing und das Drain-Induced Barrier Lowering) und im Ein-Zustand (erhöhter Drainleitwert) führt. In jüngster Zeit wird bei MOSFETs und HEMTs das Tri-Gate-Design angewendet, um die Gatesteuerwirkung zu verbessern und Kurzkanaleffekte zu unterdrücken. So wurden bereits Tri-Gate-Transistoren mit ausgezeichnetem Skalierungsverhalten, verbesserten Eigenschaften und, speziell im Fall von GaN Tri-Gate-HEMTs, positiver Schwellspannung, demonstriert. Auf der anderen Seite leiden GaN Tri-Gate-HEMTs mit Normally-Off-Charakteristik jedoch unter großen Parasitäten, die das HF-Verhalten (insbesondere die Transitfrequenz) beeinträchtigen. Die Verbesserung des HF-Verhaltens und eine Reduzierung der Parasitäten von GaN Tri-Gate-HEMTs ist daher dringend nötig. Das erfordert jedoch ein tiefes Eindringen in die Physik dieser Bauelemente. In der vorliegenden Arbeit werden umfassende theoretische Untersuchungen und Bauelementesimulationen zu GaN Tri-Gate-HEMT beschrieben, die zu einem deutlichen verbesserten Verständnis der Wirkungsweise von GaN Tri-Gate-HEMTs führten. So konnten das Potential dieses Transistortyps bewertet, Designregeln erarbeitet und vorteilhafte Transistordesigns entwickelt werden. In der Arbeit wird gezeigt, dass eine Verringerung der Bodyweite bei gegebener Gatespannung zu einer Verringerung der Ladungsträgerdichte im 2DEG führt, dass die Schwellspannung maßgeblich von der Bodyweite bestimmt wird und dass bei hinreichend geringer Bodyweite der Übergang vom Normall-On- zum Normally-Off-Betrieb erfolgt. Es wird auch gezeigt, dass der Abstand zwischen benachbarten Bodies nur einen geringen Einfluss auf die Schwellspannung hat. Darüber hinaus wird demonstriert, dass im Fall weiter Bodies (> 200 nm) der Kanal sowohl durch das Top-Gate als auch durch die Seiten-Gates gesteuert wird, während bei schmaleren Bodies die Steuerwirkung durch das Top-Gate geringer wird und die Verhältnisse im Kanal im Wesentlichen durch das Seiten-Gates bestimmt werden. In der Arbeit wird weiterhin Rolle des Designs der AlGaN-Barriere (Al-Gehalt, Dicke) untersucht und demonstriert, dass die Gestaltung der Barriere bei schmalen Bodies nur einen begrenzten Einfluss auf die Schwellspannung hat. Die Untersuchungen zeigen deutlich, dass das mit dem Tri-Gate-Konzept Normally-Off-Transistoren realisierbar sind, dass das Transistorverhalten im Ein-Zustand verbessert (höhere Steilheit) wird, und dass Kurzkanaleffekte im Aus-Zustand wirkungsvoll unterdrückt. Es wird auch demonstriert, dass GaN Tri-Gate HEMTs höhere Durchbruchspannungen zeigen und näher an der theoretischen Grenze für GaN-Bauelemente arbeiten als planare GaN HEMTs. Ein weiteres Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist der Nachweis, dass GaN Tri-Gate-HEMTs mit sorgfältig optimiertem Design den planaren HEMTs auch hinsichtlich des HF-Verhaltens überlegen sind. Ein Mittel zur Verbesserung des HF-Verhaltens ist die Reduzierung der Body-Ätzhöhe, die zur Verringerung der parasitären Kopplung zwischen den Body-Seitenwänden und den Source/Drain-Elektroden und somit zu einer geringeren Gatekapazität führt. Eine weitere Maßnahme zur Reduzierung der Gatekapazität ist die Beschichtung der Body-Seitenwände mit einem Dielektrikum (z.B. SiN). Das verringert die Streukapazität, da jetzt die mit dem Gatemetall gefüllte Lücken zwischen benachbarten Bodies schmaler sind. Schließlich wird gezeigt, dass die Polarisationsladung an der Grenzfläche Barrier/Kanal und somit die Elektronendichte im 2DEG durch Erhöhung des Al-Gehalts der AlGaN-Barriere oder durch Nutzung eines anderen Materials für die Barriere (z.B. gitterangepasstes In0.17 Al0.83 N) gesteigert werden kann.

Access State: Open Access

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