Μελέτη και κατασκευή ηλεκτρονικών διατάξεων βασισμένων σε κβαντικές δομές σύνθετων ημιαγωγών νιτριδίων

Abstract

High Electron Mobility Transistors (HEMTs) based on gallium nitride (GaN)and its alloys with aluminum (Al) and indium (In) exhibit exceptional performance in high-power and high-frequency microwave applications. This is primarily due to their unique physical properties, such as high electron mobility, relatively high saturation velocity, and large breakdown electric field. However, several challenges persist, which this dissertation addresses, including the formation of low - resistance ohmic contacts, the gate lag and drain lag phenomena caused by electron trapping-leading to current reduction or collapse - and short-channel effects (SCEs) in transistors with reduced gate lengths. Additionally, the confinement of the two-dimensional electron gas (2DEG) in double heterostructures (DHFETs) is investigated, aiming to mitigate effects such as drain-induced barrier lowering (DIBL), which reduces the potential barrier under the gate due to the applied drain voltage. A highly effective approach for limiting the DIBL effect is the incorporation of a double heterojunction (DH - HEMT), as the presence of an AlGaN back-barrier enhances the spatial confinement of the 2DEG. Simulations utilizing TCAD software, focusing on the conduction band energy profile of a short-channel HEMT, revealed that the potential barrier configuration beneath the gate remains stable across its entire length in structures incorporating an AlGaN back-barrier. In contrast, in conventional structures, the DIBL effect is pronounced, as the gate barrier height progressively decreases toward the drain. This study investigates the impact of an AlGaN back-barrier layer on the properties of double heterostructures, specifically in AlN/GaN/AlyGa1-yN/GaN andAlxGa1-xN/ GaN/AlyGa1-yN/GaN configurations. The analysis integrates experimental measurements with numerical simulations, solving the Schrödinger and Poisson equations. Simulation results indicate that varying the aluminum composition in theAlyGa1-yN back-barrier, within the range of 0.05 to 0.25, has a negligible effect on both the concentration and distribution of the 2DEG in the quantum well formed at the AlN/GaN interface. However, reducing the Al content in AlyGa1-yN significantly affects the carrier concentration in the parasitic conduction channel, which develops in the triangular quantum well at the AlyGa1-yN/GaN back-barrier interface. A critical finding from the simulations concerns the influence of the AlyGa1-yNback-barrier thickness. Specifically, when the back-barrier thickness is approximately one-third of the GaN channel thickness, strong confinement of the 2DEG is achieved within the GaN channel, near the interface with the top barrier, without the formation of a parasitic conduction channel at the back-barrier/substrate interface. Theoretical predictions were verified through experimental measurements on diodes and transistors, demonstrating that an undoped AlyGa1-yN layer with 8–10% Alcontent, combined with an undoped 150nm GaN channel in AlN/GaN/AlyGa1-yN/GaN structures, can serve as an effective solution for enhanced 2DEG confinement and improved device performance. Finally, this dissertation also explored devices for emerging technological applications, such as InN-channel MISFET-type transistors intended for THz-range microwave operation. The DC operation of InN transistors revealed novel and innovative results not previously reported in the international literature.

Τα τρανζίστορ ΗΕΜΤ, τρανζίστορ υψηλής ευκινησίας ηλεκτρονίων, που βασίζονται στον σύνθετο ημιαγωγό του νιτριδίου του γαλλίου (GaN) και στα κράματα του με το Αργίλιο (Al) και το Ίνδιο (In), παρουσιάζουν σημαντικές επιδόσεις σε εφαρμογές υψηλών μικροκυματικών συχνοτήτων και μεγάλης ισχύος, λόγω των μοναδικών τους φυσικών ιδιοτήτων που διαθέτουν όπως η υψηλή ευκινησία των ηλεκτρονίων, η σχετικά υψηλή ταχύτητα κορεσμού καθώς και το μεγάλο ηλεκτρικό πεδίο διάσπασης. Σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η μελέτη και βελτιστοποίηση νέας γενεάς τρανζίστορ υψηλής ευκινησίας φορέων (HEMT) για εφαρμογές Ισχύος και Υψηλών Συχνοτήτων καθώς και διαταξεις αναδυόμενων τεχνολογικών εφαρμογών νιτριδίων. Ωστόσο, προκλήσεις με τις οποίες ασχοληθήκαμε σε αυτήν την διδακτορική διατριβή αποτέλεσαν, ο σχηματισμός ωμικών επαφών χαμηλής αντίστασης, τα φαινόμενα gate lag και drain lag που οφείλονται σε παγίδευση ηλεκτρονίων που ως αποτέλεσμα έχουν την μείωση ή/και την κατάρρευση του ρεύματος πηγής –απαγωγού. Επιπλέον μελετήθηκαν φαινόμενα βραχέως καναλιού (SCEs) σε τρανζίστορ με μικρό μήκος πύλης καθώς και ο εντοπισμός του δισδιάστατου ηλεκτρονικού αερίου (2DEG) σε διπλές ετεροδομές (DHFETs) με απώτερο στόχο την μείωση φαινομένων όπως η μείωση του φραγμού δυναμικού κάτω από την περιοχή της πύλης λόγω της εφαρμοζόμενης τάσης στον απαγωγό (Drain-Induced BarrierLowering – DIBL). Μία από τις πλέον αποτελεσματικές προσεγγίσεις για τον περιορισμό του φαινομένου DIBL στα τρανζίστορ νιτριδίων είναι η ενσωμάτωση μιας διπλής ετεροεπαφής (DH-HEMT), καθώς η παρουσία ενός οπίσθιου φραγμού AlGaN συμβάλλει στην ενίσχυση του χωρικού περιορισμού του δισδιάστατου ηλεκτρονικού αερίου (2DEG). Προσομοιώσεις με τη χρήση του προγράμματος TCAD, οι οποίες επικεντρώθηκαν στο ενεργειακό διάγραμμα της ζώνης αγωγιμότητας ενός HEMT βραχέως καναλιού, αποκάλυψαν ότι η διαμόρφωση του φραγμού δυναμικού κάτω από την πύλη, στις δομές με οπίσθιο φραγμό AlGaN, παραμένει σταθερή σε όλο το μήκος της πύλης. Αντίθετα, στις συμβατικές δομές, το φαινόμενο DIBL είναι εμφανές, καθώς ο φραγμός της πύλης μειώνεται προοδευτικά προς τον απαγωγό. Στο πλαίσιο της παρούσας μελέτης, διερευνήθηκε η επίδραση του στρώματος AlyGa1-yN ως οπίσθιου φραγμού στις ιδιότητες διπλών ετεροδομών, συγκεκριμένα στις διατάξεις AlN/GaN/AlyGa1-yN/GaN και AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN/GaN. Η ανάλυση βασίστηκε σε συνδυασμό πειραματικών μετρήσεων και υπολογιστικών προσομοιώσεων, με επίλυση των εξισώσεων Schrödinger και Poisson. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων κατέδειξαν ότι η μεταβολή του ποσοστού y στο κράμα AlyGa1-yN του οπίσθιου φραγμού, στην περιοχή 0.05 - 0.25, ασκεί αμελητέα επίδραση τόσο στη συγκέντρωση όσο και στην κατανομή του 2DEGεντός του κβαντικού πηγαδιού που σχηματίζεται στη διεπιφάνεια του ανώτερου φραγμού AlN και του καναλιού GaN. Ωστόσο, η μείωση της περιεκτικότητας σε Al στο κράμα AlyGa1-yN επηρεάζει σημαντικά τη συγκέντρωση των φορέων στο παρασιτικό κανάλι αγωγιμότητας, το οποίο αναπτύσσεται στο τριγωνικό κβαντικό πηγάδι της διεπιφάνειας μεταξύ του οπίσθιου φραγμού AlyGa1-yN και του υποστρώματος GaN (στρώματος απομόνωσης). Ένα κρίσιμο εύρημα των προσομοιώσεων σχετιζόταν με την επίδραση του πάχους του οπίσθιου φραγμού AlyGa1-yN. Συγκεκριμένα, όταν το πάχος του οπίσθιου φραγμού αντιστοιχεί περίπου στο ένα τρίτο του πάχους του καναλιού GaN, επιτυγχάνεται ισχυρός χωρικός εντοπισμό του 2DEG εντός του καναλιού GaN, πλησίον της διεπιφάνειας με τον ανώτερο φραγμό, χωρίς την εμφάνιση παρασιτικού καναλιού αγωγιμότητας στη διεπιφάνεια του οπίσθιου φραγμού και του υποστρώματος GaN. Οι θεωρητικές προβλέψεις επαληθεύτηκαν μέσω πειραματικών μετρήσεων σε διόδους και τρανζίστορ, όπου διαπιστώθηκε ότι ένα μη νοθευμένο στρώμα AlyGa1-yN με περιεκτικότητα 8 - 10% σε Al, σε συνδυασμό με ένα μη νοθευμένο κανάλι GaN πάχους 150nm, σε δομές AlN/GaN/AlyGa1-yN/GaN, δύναται να αποτελέσει μια αποτελεσματική λύση για τον ισχυρό χωρικό εντοπισμό του 2DEG και τη βελτίωση της συνολικής απόδοσης της διάταξης. Τέλος σε αυτήν την διατριβή επιπροσθέτως ασχοληθήκα με με διατάξεις αναδυόμενων τεχνολογικών εφαρμογών όπως τρανζίστορ τύπου MISFET με κανάλι InN με σκοπό μικροκυματικής λειτουργίας στην περιοχή THz. Η συνεχούς τάσης λειτουργία των InN HEMT ανέδειξε νέα, καινοτόμα αποτέλεσμα που δεν έχουν παρατηρηθεί προηγουμένως στην διεθνή βιβλιογραφία.