Yüksek güç uygulamaları için galyum nitrür temelli yüksek elektron hareketlilikli transistör tasarımı, fabrikasyonu ve karakterizasyonu
Design, fabrication and characterization of gallium nitride based high electron mobility transistors for high power application
Yazar: AHMET TOPRAK
Danışman: PROF. DR. ŞADAN ÖZCAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, yüksek güç uygulamaları için yeni epitaksiyel yapılar, Metal Organik Kimyasal Buhar Biriktirme (MOCVD) yöntemi ile büyütüldü. Büyütülen bu yapıların elektriksel ve yapısal incelemeleri için Fotolüminesans (PL) Ölçüm Sistemi, Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), X-Işını Kırınımı (XRD), Hall Etkisi Ölçüm Sistemi, Diferansiyel Girişim Kontrast (DIC) Mikroskobu ve Mekanik Profilometre kullanıldı. Büyütülen bu epitaksiyel yapılar üzerinde yüksek elektron hareketlilikli transistör (HEMT) aygıt fabrikasyonu yapıldı. DC I-V ve RF (Radyo Frekans) güç ölçümleri alınarak yüksek güç uygulamaları için deneysel yollarla en uygun epitaksiyel yapı belirlendi. Belirlenen bu epitaksiyel yapı üzerinde Silvaco ATLAS programı kullanılarak X-bant aralığında (8-12 GHz) çalışacak yüksek güçlü HEMT aygıtlar için aygıt yapısı simülasyon çalışmaları yapıldı. Yapılan simülasyon çalışmalarında; gate (kapı) uzunluğu 〖(L〗_G), 300 nm olmak üzere gate-kaynak (source) arası mesafe 〖(L〗_GS) artıkça maksimum doyum akımının 〖(I〗_DSS), geçiş iletkenliğinin 〖(g〗_m) ve maksimum  DC çıkış gücünün 〖(P〗_(DC_max⁡)) azaldığı ve akaç (drain)-kaynak arası mesafe 〖(L〗_DS) arttıkça I_DSS, g_m ve kırılma geriliminin 〖(V〗_br) de çok değişmediği görüldü. Simülasyon çalışmaları sonucunda L_G 300 nm olmak üzere L_GS ve L_DS için optimum değerler, ardışık olarak 800 nm ve 3 µm olarak belirlendi. Bu değerler kullanılarak Alan Levhalı I-gate, Si3N4 Üzerinde Duran Gama (Γ)-Gate ve Bir Kısmı Si3N4 İçine Gömülü ve Bir Kısmı da Havada Duran Gama (Γ)-Gate yapılı HEMT aygıtlar simüle edildi ve bu gate tipleri için optimum değerler belirlendi. Optimum simülasyon sonuçları kullanılarak I-gate (Tip-1), Alan Levhalı I-gate (Tip-2), Si3N4 Üzerinde Duran Gama (Γ)-Gate (Tip-3), Oyuklu (Recessed) Gama (Γ)-Gate (Tip-4) ve Bir Kısmı Si3N4 İçine Gömülü ve Bir Kısmı da Havada Duran Gama (Γ)-Gate (Tip-5) tipleri için HEMT aygıt fabrikasyonları yapıldı. Değişik gate yapıları içeren bu aygıtlar için; maksimum doyum akımı〖(I〗_DSS), geçiş iletkenliği 〖(g〗_m), eşik voltaj 〖(V〗_th), akım kazancı kesilim frekansı 〖(f〗_T), maksimum salınım frekansı 〖(f〗_max) ve 8 GHz'de küçük-sinyal kazancı ve RF çıkış gücü 〖(P〗_out) karşılaştırması yapıldı. RF çıkış gücü 〖(P〗_out); gate yapısı, alan levhalı yapıdan gama gate'li yapıya dönüştürüldüğünde 1 dB artmaktadır. V_th, g_m, f_T ve f_max değerleri; gate ayağı ile başı arasındaki dielektrik tabakasının kalınlığı minimize edildiğinde maksimum olmaktadır. Gate için oyuk (recess) oluşturmak, I_DSS değerini düşürmekte ancak P_out değerini arttırmaktadır.

Abstract:
In this study, novel epitaxial structures for high power applications have been grown by using Metal-Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD) technique. Photoluminescence (PL), Atomic Force Microscopy (AFM), X-Ray Diffraction (XRD), Hall Effect Measurement Systems, Differential Interference Contrast (DIC) Microscopy and Mechanical Profilometer were used for electrical and structural analysis of the grown epitaxial samples. High electron mobility transistor (HEMT) device fabrication was performed on these epitaxial samples.  DC I-V and RF (Radio Frequency) power characterization were carried out and the most suitable structure was determined by experimental methods for high power applications. Device structure simulation studies were performed on the determined epitaxial structure for high power HEMT devices operating in the X-band range (8-12 GHz) by using the Silvaco ATLAS program. In the simulation studies when the gate length 〖(L〗_G) is 300 nm, It was seen that as the gate-source distance 〖(L〗_GS) increases, the maximum saturation current 〖(I〗_DSS),  the transconductance 〖(g〗_m) and the maximum DC output power 〖(P〗_(DC_max⁡)) decrease and I_DSS, g_m and breakdown voltage 〖(V〗_br) do not change much as the distance between drain and source 〖(L〗_DS) increases. As a result of the simulation studies, optimum values for L_G, L_GS ve L_DS were determined as 300 nm, 800 nm and 3 μm respectively. HEMT devices with an I-gate with a Field Plate, a Standing Gamma (Γ)-Gate on Si3N4  and a Gamma (Γ)-Gate, Partially Embedded in Si3N4  and Partially Standing in the Air were simulated by using these values. HEMT device fabrication was performed for gate types such as I-gate (Type-1), I-gate with a field plate (Type-2), a Standing Gamma (Γ)-Gate on Si3N4 (Type-3), Recessed Gamma (Γ)-Gate (Type-4), a Gamma (Γ)-Gate, Partially Embedded in Si3N4  and Partially Standing in the Air (Type-5) by using the optimized simulation results. The maximum saturation current 〖(I〗_DSS), transconductance 〖(g〗_m), pinch-off voltage 〖(V〗_th), current-gain cutoff frequency 〖(f〗_T), maximum oscillation frequency 〖(f〗_max) and RF characteristics of the devices in terms of the small-signal gain and RF output power 〖(P〗_out) at 8 GHz were investigated. The results showed that the output power is increased 1 dB when the gate structure changed from field plate to gamma gate. The V_th, g_m, f_T and f_max  values are maximized when the thickness of the passivation layer between the gate foot and the gate head is minimized. I_DSS is decreased and P_out is increased, respectively, when the gate recess etching process is performed.