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  • Untersuchung von high- Materialien als alternative Dielektrika furAlGaN/GaN-basierte Metall-Isolator-Halbleiter

    Heterostruktur-Feldeffekt-Transistoren (MISHFET)

    Investigation of high- materials as alternative dielectrics forAlGaN/GaN-based metal-insulator-semiconductor heterostructure field

    effect transistors (MISHFET)

    Von der Fakultat fur Elektrotechnik und Informationstechnikder RheinischWestfalischen Technischen Hochschule Aachen

    zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften,genehmigte Dissertation

    vorgelegt von

    Diplom-Ingenieur, Diplom-Kaufmann

    Gero Heidelbergeraus Bremen

    Berichter: Univ.-Prof. Dr. Dr. h.c. Hans LuthUniv.-Prof. Dr. Andrei Vescan

    Tag der mundlichen Prufung: 03.04.2009

    Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek onlineverfugbar.

  • iii

    Zusammenfassung

    Gallium Nitrid (GaN) basierte Heterostruktur Feld-Effekt Transistoren (HFET) stellenvielversprechende Bauteile fur Leistungsanwendungen bei hohen Frequenzen dar, die ins-besondere von den Eigenschaften des GaN profitieren, das eine groe Bandlucke aufweistund eine hohe Mobilitat und Sattigungsgeschwindigkeit der Ladungstrager besitzt.

    In den letzten Jahren wurden Leistungsverbesserungen der Bauteile durch eine Isolierungder Steuerelektrode erreicht (MISHFET). Die vorliegende Arbeit tragt zu einer weit-eren Verbesserung von GaN basierten MISHFETs bei, indem die Steuerelektrode mit-tels Material mit hoher Dielektrizitatszahl (high-) isoliert wird. Hierzu wird auf dieneusten Fortschritte mit Gadolinium Scandat (GdScO3) und Hafnium Dioxid (HfO2)zuruckgegriffen - Materialien, die in erster Linie auf ihre Tauglichkeit als SiO2-Ersatz inder CMOS Technologie untersucht werden.

    Um Experimente mit den anvisierten Bauteiltypen durchfuhren zu konnen, wurde dieGaN Prozessierungstechnologie, die am IBN fest etabliert ist, modifiziert und erweitert.Im Besonderen wurden Techniken zur Deposition von high- Material - darunter diePulsed-Lased Deposition (PLD) und die Electron-Beam Evaporation (EBE) - untersuchtund teilweise modifiziert. Ebenfalls wurden Methoden zur elektrischen Charakterisierungder Bauteile optimiert oder neu eingerichtet, beispielsweise wurde die Moglichkeit zurVermessung von Isolatorstromen neu geschaffen.

    Die ersten Experimente zielten auf die Herstellung und Charakterisierung von SiO2 Bau-elementen, die im Verlauf der Arbeit als Referenz fur high- MISHFETs dienten. DieSiO2 Bauteile zeigten sich hinsichtlich eines niedrigen Leckstroms, eines hohen Aus-gangsstroms und einer verbesserten RF Verstarkungsleistung als den konventionellenBauteilen uberlegen. Daruber 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 GdScO3 undHfO2 in Transistoren und Dioden einzubringen. Insbesondere konnte die Nachbehand-lung deponierter GdScO3 Schichten in Sauerstoffatmosphare als Schlusselelement zurHerstellung von elektrisch-dichten GdScO3 Material identifiziert werden. Andererseitsergaben die Untersuchungen, dass HfO2 als Isolator fur GaN basierte MISHFET nurbedingt geeignet ist. Dieses Ergebnis wurde auch durch theoretische Betrachtungen derrelativen Lage der Energiebander eines GaN/HfO2 Uberganges bestatigt.

    Die sich anschlieenden Experimente fokussierten auf die Verwendung von GdScO3 alsIsolator der Steuerelektrode von Transistoren. Erste MISHFETs und MIS Dioden wur-den erfolgreich hergestellt. Die elektrische Charakterisierung ergab, dass das GdScO3Dielektrikum den Leckstrom um bis zu sieben Groenordnungen verringert. S-ParameterMessungen ergaben, dass GdScO3 Bauteile potenziell bei Frequenzen bis 60 GHz be-trieben werden konnen. Und Load-Pull Messungen zeigten, dass die Ausgangsleistungbei 7 GHz im Vergleich zu konventionellen Bauteilen mehr als verdoppelt werden kann.

    Die demonstrierten Starken des Gate-isolierenden GdScO3 hinsichtlich der Verringerungdes Leckstromes, der Erhohung der Strom-Steuerwirkung und der Verdopplung der Aus-gangsleistungs zeigen, dass der GdScO3 MISHFET sowohl eine Verbesserung gegenuberkonventionellen HFETs darstellt, als auch die SiO2 MISHFET Variante ubertrifft.

  • iv

    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 awide bandgap, a high carrier mobility and a high saturation velocity of carriers.

    In recent years, improvements of the device performance were achieved by insulating thegate electrode by means of a dielectric layer (MISHFETs). This study contributes tothe further improvement of GaN-based MISHFETs by insulating the gate with high-material, taking up latest advances with Gadolinium Scandate and Hafnium Dioxide- materials which are primarily intended to serve as a substitute for SiO2 in CMOStechnology.

    To perform experiments with this novel kind of MISHFETs, the processing technology forthe fabrication of HFETs, which has been well established at the IBN, was modified andextended. In particular, deposition techniques for the high- materials - e.g. pulsed-laserdeposition (PLD) and electron-beam evaporation (EBE) - were investigated and partlymodified. Also, methods for the electrical characterization of the processed devices wereoptimized or established, in particular means to investigate currents through insulatorswere established.

    The first experiments conducted aimed at the fabrication and characterization of SiO2MISHFETs, which served as a reference for the subsequent studies with high- material.The SiO2 devices proved to be superior to conventional HFETs in terms of a low gateleakage, a high drain current, and improved RF power performance. Furthermore, in-sights into the role of surface passivation in MISHFETs were gained and the gate currentmechanisms were studied.

    In parallel, first attempts to incorporate GdScO3 and HfO2 insulation layers into diodesand transistors were performed. In particular, annealing in O2 atmosphere was identifiedto be a key element to gain electrically dense GdScO3 material. One the other hand,HfO2 was found to be an unsuitable material to serve in GaN-based MISHFETs, whichwas also confirmed by theoretical considerations regarding the GaN/HfO2 energy bandoffsets.

    The subsequent experiments focused on GdScO3 to be used as gate insulation. FirstMISHFETs and MIS diodes were fabricated successfully. Electrical characterizationrevealed, that the GdScO3 dielectric reduces the gate leakage currents by up to sevenorders of magnitude. S-parameter measurements indicated the potential use of GdScO3devices up to 60 GHz, and Load-Pull measurements showed that the delivered outputpower at 7 GHz can be more than doubled compared to conventional devices.

    In conclusion, GdScO3 was demonstrated to be a promising candidate for MISHFETsfor high-power applications at high frequencies. The strengths in terms of gate leakagereduction, channel control increase, and increase of RF power performance not onlyoutperforms conventional HFETs but also SiO2 MISHFETs. Besides the demonstrationof the superior performance of GdScO3 MISHFETs, this study also identifies aspects forfurther 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

  • vi CONTENTS

    III Experiments, Results, and Discussion 51

    6 Silicon Dioxide Transistors 55

    6.1 Passivation and Insulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

    6.2 Silicon Dioxide Insulator Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    6.3 Comparison with Silicon Nitride related Experiments . . . . . . . . . . . 70

    7 Post-Deposition Annealing of Gadolinium Scandate 77

    7.1 Variation of Annealing Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

    7.2 Annealing in Oxygen Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

    8 Gadolinium Scandate Diodes 85

    8.1 Insulation versus Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .