Reliability measurements and analysis of gallium nitride on silicon carbide high electron mobility transistors (gan-on-sic hemts)

Yarı-yalıtkan SiC üzerine büyütülen galyum nitrür (GaN) yüksek elektron hareketliliğine sahip transistörler (GaN-on-SiC HEMT), yüksek güç ve yüksek frekans uygulamaları için lider teknoloji konumuna gelmiştir; ancak güvenilirlikleri halen gelişim aşamasındadır. Özellikle derin ters kutuplama altındaki kapalı (off-state) durumda, darbe iyonlaşması, sıcak elektron tutulması ve kapı/tampon kaçakları gibi alan kaynaklı arıza mekanizmaları baskındır ve bunlar artmış kaçak akımları, akım çökmesi ve zamana bağlı (time-dependent) yüksek gerilim kırılması olarak kendini gösterir. Bu tezde, GaN-on-SiC HEMT'lerin kapalı durum dayanıklılığı, uzun süreli off-state stres ve kaçak davranışı temel değerlendirme kriterleri olacak şekilde aygıt dizaynı (layout), mikrofabrikasyon süreçleri ve epitaksiyel tasarımı üzerinden sistematik olarak mühendislik yapılarak iyileştirilmektedir. GaN malzeme özellikleri, cihaz yapısı ve ilgili arıza mekanizmaları tanıtıldıktan sonra, önce başlangıç teknolojisinin RF-HTOL (RF-uygulamalı Yüksek Sıcaklık Çalışma Ömrü) davranışı karakterize edilerek bir referans düzey oluşturulmuştur. Gerçekçi RF stres koşulları altında gözlenen katastrofik arızalar, bir dizi geometrik optimizasyonu tetiklemiştir. Yanal yerleşimin yeniden düzenlenmesiyle, özellikle kapı--akaç aralığının arttırılması ve alan levhası (field-plate) ile akaç pedinin yeniden tasarlanması sayesinde, kırılma gerilimi anlamlı düzeyde artmış, RF çıkış gücü ve verimlilik ise neredeyse değişmeden korunmuştur. Ardından, fabrikasyona bağlı güvenilirlik dar boğazları ele alınmıştır. Kapı metali sonrası tavlama (post-metal annealing) ve iyileştirilmiş kapı ayağı aşındırma (gate-foot etch) adımları, kapı altında kalan artık SiN tabakasını giderip gerçek bir Schottky kapı temasını yeniden oluşturarak ciddi Q-noktası kararsızlığını ortadan kaldırmıştır. Devamında, in-situ O2/Ar iyonu kapı metal kaplaması öncesi yüzey temizlik işlemi ve yüksek sıcaklıklı PECVD birinci nitrid katmanı prosese eklenmiş, böylece kapı ve akaç kaçakları bir mertebeden fazla azaltılmış ve 200 °C'ye kadar HTRB testlerinde katastrofik arızalar neredeyse tamamen ortadan kaldırılmıştır. Bu iyileştirmeler DC-HTOL, HTRB, RF-HTOL ve kademeli HTRB (step-HTRB) testleri ile doğrulanmıştır. Son aşamada, elektrik alan yeniden dağılımı ve buffer kaynaklı tuzaklanmayı hedefleyen üç epitaksiyel mühendislik yaklaşımı incelenmiştir. TEM, element analizi ve elektriksel verilerin birleştirildiği ayrıntılı bir kök neden analizi, kapı altındaki uç derecede ince oksit tabakasının, akaç tarafı kapı kenarında darbe iyonlaşmasını belirgin şekilde arttırdığını göstermiştir. Bunu azaltmak için geliştirilen bir tampon katmanı mühendisliği adımında, c-GaN kalınlığının inceltilmesi ve karbon konsantrasyonunun büyütme koşulları ile arttırılması sayesinde dikey alan profili yeniden dağıtılmış, etkin darbe iyonlaşma hacmi azaltılmış ve uzun süreli HTRB sonrası nihai kapı/akaç kaçakları anlamlı düzeyde düşmüştür. Buna ek olarak iki epitaksiyel tasarım daha geliştirilmiştir. AlGaN/GaN/AlGaN arka bariyerli tasarım, HTRB koşulları altında yaklaşık %30 daha yüksek kırılma gerilimi ve iki kattan fazla artmış zamana bağlı arıza süresi sağlarken, RF performansını korumuş ve dinamik yayılmayı (dispersion) belirgin şekilde azaltmıştır. Toplam GaN kalınlığı yalnızca 200 nm olan yeni, Fe-içermeyen ultra-ince buffer mimarisi ise kırılma gerilimini yaklaşık %78 oranında arttırmış, RF çıkış gücü ve transkonduktansı iyileştirmiş ve incelenen stres penceresinde HTRB testlerinde hiç arıza gözlenmeden, kapalı durum kaçağını bir mertebe azaltmıştır. TCAD simülasyonları ve TEM analizi, bu epitaksiyel tasarımların kapı kenarındaki tepe elektrik alanını rahatlattığını tutarlı bir şekilde göstermektedir. Genel olarak, alan dağılımı ve kaçak-temelli güvenilirlik metrikleri ile yönlendirilen yerleşim, proses ve epitaksinin birlikte optimize edilmesiyle, GaN-on-SiC HEMT'lerin off-state güvenilirliğinin RF performansından ödün vermeden belirgin şekilde iyileştirilebileceği ortaya konmuştur.