Reliability and degradation mechanisms of GaN high electron mobility transistors with short gate length

Media type: E-Book

Title: Reliability and degradation mechanisms of GaN high electron mobility transistors with short gate length

Contributor: Kemmer, Tobias [Verfasser]; Ambacher, Oliver [Sonstige]; Schwierz, Frank [Sonstige]

Corporation: Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Nachhaltige Technische Systeme ; Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Fakultät für Angewandte Wissenschaften

imprint: Freiburg: Universität, 2022

Extent: Online-Ressource

Language: English

DOI: 10.6094/UNIFR/223879

Identifier:

Keywords: Electron mobility ; Reliability ; Transistors ; Galliumnitrid ; Reliabilität ; Degradation ; HEMT ; (local)doctoralThesis

Origination:

University thesis: Dissertation, Universität Freiburg, 2021

Footnote:

Description: Abstract: In dieser Arbeit wird die Alterung von GaN-HEMTs mit kurzer Gate-Länge unter Belastung in leitendem und sperrendem Zustand untersucht. Als primärer Degradationsmechanismus wird die elektrochemische Oxidation des Gatefußes identifiziert. Die Bedeutung extrinsischer und intrinsischer Sauerstoffquellen für die Alterung wird erstmals im Detail analysiert und der Einfluss von Prozessvariationen (Passivierung, Gate-Länge und AlN-basierte Barrieren) wird betrachtet. Der Einfluss von Temperatur, angelegter Spannung und Umgebungsatmosphäre wird systematisch untersucht und durch physikalische Fehleranalyse ergänzt. Die Bildung von Mulden an der Gatefuß-Kante wird mit einem Avrami-Modell beschrieben. Hierfür wird das Modell zunächst auf der Basis empirischer Daten erweitert, um auch den Einfluss von Störstellen zu Beginn der Alterung und das Absättigen der Degradation zu berücksichtigen. In einer Reihe von Experimenten kann die gute Übereinstimmung zwischen dem neuen Modell und dem Alterungsverhalten der Bauelemente demonstriert werden. Durch eine Analyse der Fitparameter wird erstmals gezeigt, dass im gesperrtem Zustand bei höherer Temperatur die Bedeutung intrinsischen Sauerstoffs für die Oxidation zunimmt. Unterschiedlich abgeschiedene Passivierungen werden hinsichtlich ihrer Fähigkeit evaluiert, Sauerstoff von der Halbleiteroberfläche fernzuhalten. Es wird gezeigt, dass ein Nitrid, das bei niedriger Temperatur abgeschieden worden ist, einen erhöhten Einfluss von extrinsischem Sauerstoff aufweist. Durch eine TEM-Analyse kann dies auf eine schlechte Bedeckung der Gateflanke zurückgeführt werden. Ferner wird demonstriert, dass die Alterung der Bauelemente bei gleichbleibender Epitaxie unabhängig von der Gate-Länge ist. Der Einfluss der Temperatur und der angelegten Spannung auf die Bauelementalterung wird in systematischen Stresstests mit anschließender Fehleranalyse untersucht. Es wird erstmalig demonstriert, dass sich die Abhängigkeiten der Alterung in gesperrtem Zustand durch ein allgemeines Eyring-Modell beschreiben lassen, wobei die beiden Stressfaktoren als unabhängig betrachtet werden können. Die vergleichende Fehleranalyse von Bauelementen mit 10 % Degradation im Sättigungsstrom zeigt, dass sich bei extremeren Bedingungen mehr und tiefere Mulden bilden. Dies belegt, dass mindestens ein weiterer Degradationsmechanismus, z.B. heiße Ladungsträger, parallel zur Oxidation aktiv sein muss, der bei extremen Bedingungen jedoch von dieser überschattet wird. Im Gegensatz zu bisherigen Vermutungen zeigt die Fehleranalyse ferner, dass die Muldenbildung nicht ausschließlich an den Durchstoßpunkten von Versetzungen stattfinden kann, sondern auch an weiteren Positionen entlang der Gatefuß-Kante. Für die Versetzungen kann außerdem festgestellt werden, dass diese während der Alterung unbeweglich bleiben

Abstract: In this work, the degradation of GaN HEMTs with short gate lengths is investigated under onand off-state conditions. Electrochemical oxidation at the gate-foot edge is identified as the dominating degradation mechanism. The major influence of extrinsic and intrinsic oxygen sources on the degradation under on- and off-state stress is highlighted for the first time and various process variations (passivation, gate length and AlN-based heterointerfaces) are investigated. A systematic assessment of the temperature- and voltage-dependent degradation is performed and supplemented by physical failure analysis. The formation of oxidation pits at the gate-foot edge is described using an Avrami model. The model is extended based on empirical results to account for the initial trapping behaviour of GaN HEMTs and to allow for a saturation of the drain-current degradation. The novel extended Avrami model is tested on the degradation data of a series of experiments resulting and good agreement is demonstrated. For the first time, the fit parameters are used to gain further insight into the pit formation, especially concerning the limiting factor of the underlying reaction. For devices under off-state stress, it is demonstrated that with increasing temperature the oxidation is primarily due to intrinsic oxygen. A series of passivation technologies is evaluated concerning their oxygen-blocking capabilities. Based on the Avrami model, an increased in-diffusion of oxygen is ascertained for a lowtemperature nitride and a lift-off process, which is also used for an experimental advanced technology iteration. This finding is supported by TEM-analysis, which shows a reduced coverage of the gate foot, thus providing a diffusion path for oxygen towards the reaction site. The degradation is found to be independent of the gate length for a fixed epitaxy. The effect of temperature and voltage on the degradation is investigated in stress tests and by physical failure analysis. By modelling of the off-state stress results using a generalised Eyring mode, it is demonstrated for the first time that the stress factors can be treated independently. Failure analysis and degradation data of devices with 10 % 퐼DSS-degradation point towards an enhanced pit formation at more extreme conditions. Simultaneously, the results demonstrate that a at least one secondary degradation mechanism is active, which is overshadowed by gate-edge oxidation at harsh conditions. Hot electrons are a likely candidate that could pose a threat to the device reliability at stress conditions with suppressed oxidation. In contrast to the common assumption, the failure analysis demonstrates that pit formation takes place not only at the surface penetration points of dislocations, but additionally at randomly distributed sites along the gate edge. The dislocations are furthermore found to be immobile during all stress tests conducted

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