Yüksek güç elektroniği uygulamaları için GaN tabanlı FinFET yapısının optimizasyonu
Optimization of GaN-based FinFET structure for high power electronics applications
Yazar: DOĞAN YILMAZ
Danışman: PROF. DR. ŞEMSETTİN ALTINDAL
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Alüminyum oksit = Aluminum oxide ; Dielektrikler = Dielectrics ; Doğru akım = Direct current ; Güç elektroniği = Power electronics ; Radyofrekans = Radiofrequency

Özet:
Bu çalışmada, GaN tabanlı yüksek elektron mobiliteli transistörünün (HEMT) bir çeşidi olan FinFET aygıt üretimi ve elektriksel performansı araştırılmıştır. Bu yeni transistör türünde, elektriksel iletimi sağlayan aktif bölge nanometre boyutlarda bir çok kanala bölünmektedir. Böylece kanallar üç yüzeyden kapı tarafından kontrol edilebilmektedir. Artan kapı kontrolünün aygıt performasına etkisi, geleneksel HEMT aygıtları ile karşılaştırılarak incelenmiştir. İlk olarak, kanat (Fin) genişliği ve Alüminyum Oksit (Al2O3) kalınlığının etkileri, 0,125 mm tek kapılı temel aygıtlarda araştırılmıştır. Bu tezde aynı zamanda, geleneksel ve üç kapılı AlGaN/GaN cihazların, optimize edilmiş kanat genişliği ve Al2O3 kalınlığı ile tüm üretimi yapılmıştır. DC ve RF ölçümleri, toplam kapı uzunluğu 2,5 mm olan 10 parmaklı güç transistörleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Fin yapısının ve Al2O3 kalınlığının; eşik voltaj (Vth) kayması, geçiş iletkenlik (gm) doğrusallığı, küçük sinyal kazancı, çıkış gücü (Pout) ve güç ekli verimliliği (PAE) dahil olmak üzere HEMT'lerin elektrik performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlarda, FinFET konfigürasyonu Vth= 0,2 V ile normal olarak kapalı işlevsellik uygularken, geleneksel mimaride Vth= -3,7 V elde edilmiştir. Alümina tabakasının pasifleştirme özelliğinden yararlanılan FinFET tasarımı, geleneksel duruma kıyasla iki derece daha düşük akaç ve kapı kaçak akım performansı sergilemiştir. Ayrıca, büyük sinyal RF ölçümlerinde, FinFET'lerde yan duvar kapılarının, düşük termal dirence atfedilen, ek yanal ısı yayılımından dolayı, geleneksel cihaza kıyasla %50'den fazla geliştirilmiş bir Pout yoğunluğunu elde edilmiştir. Üstün DC ve RF performansı sayesinde, ultra ince geçit dielektrikli önerilen FinFET tasarımı, kapı uzunluğunun daha fazla ölçeklendirilmesiyle mikrodalga güç uygulamaları için daha yüksek frekanslarda çalışma potansiyeli taşımaktadır.

Abstract:
In this study, the fabrication and electrical performance of FinFET device, which is a type of GaN-based high electron mobility transistor (HEMT), was investigated. In this new type of transistor, the active region that provides electrical conduction is divided into many nanometer-sized channels. Thus, the channels can be controlled by the gate from three surfaces. The effect of increased gate control on device performance was investigated by comparing it with conventional HEMT devices. Firstly, the effects of Fin width and Aluminium Oxide (Al2O3) thickness were investigated with basic one-finger 0.125 mm devices.  In the other part of the study, the conventional and tri-gate AlGaN/GaN devices were fully fabricated with optimized fin width and Al2O3 thickness. DC and RF measurements are performed using power transistors of 10 fingers with a total gate periphery of 2.5 mm. The effect of Fin structure and Al2O3 thickness on the electrical performance of HEMTs, including threshold voltage (Vth) shift, transconductance (gm) linearity, small-signal gain, output power (Pout), and power-added efficiency (PAE) is investigated. Based on our findings, FinFET configuration imposes normally-off functionality with a Vth= 0.2 V, while the conventional architecture has a Vth= -3.7 V. Originating from the passivation property of the alumina layer, the FinFET design exhibits two orders of magnitude smaller drain and gate leakage currents compared to the conventional case. Moreover, large signal RF measurements reveal an improved Pout density by over 50% compared to the conventional device, attributed to reduced thermal resistance in FinFETs stemming from additional lateral heat spreading of sidewall gates. Owing to its superior DC and RF performance, the proposed FinFET design with ultrathin gate dielectric could bear the potential of operating at higher frequencies for microwave power applications by further scaling of the gate length.