Improvements to epitaxial III-N field-effect transistor technology

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2020-11-13
Date
2020
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
124 + app. 79
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 167/2020
Abstract
This dissertation aims to improve three-nitride (III-N) technology on two fronts, namely, to shift it to a higher level of integration, and to pave the way for future ultra-wide band gap (UWBG) aluminum nitride (AlN) based transistors. Gallium nitride (GaN) epitaxy on silicon-on-insulator (SOI) substrates was studied. These SOI substrates could offer better electrical isolation for power electronics and improved radio-frequency (RF) characteristics by reducing substrate conduction losses. Higher crystalline quality, lower strain and improved electrical characteristics were demonstrated compared to bulk silicon (Si). The buried oxide layer increased the vertical breakdown voltage by approximately 400 V. Synchrotron radiation X-ray topography analysis confirmed that the stress relief mechanism in GaN-on-SOI epitaxy is the formation of a dislocation network in the SOI device Si layer. P-channel GaN high electron mobility transistors (HEMTs) were monolithically fabricated on silicon together with the more common n-channel HEMTs. The fabricated devices show state-of-the-art performance when compared with other GaN/AlGaN p-FETs on sapphire substrates. The development of GaN-based complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology would tremendously increase the possible level of integration by enabling a monolithic gate driver logic. A front-end-of-line fabrication process was developed for an nitrogen-polar (N-polar) AlN-based transistor and an ion-implanted metal-polar AlN metal-semiconductor field-effect transistor (MESFET). UWBG AlN holds tremendous potential for high power applications due to its critical electric field being four times that of GaN and forty times that of Si. We demonstrated high-quality N-polar AlN by using a reduced substrate miscut combined with high-growth temperature, reduced growth rate, and high V/III-ratio. A resistive N-polar AlN buffer was developed. It was discovered that high temperature growth leads to unintentional Si incorporation. Therefore, a layer grown at reduced temperature was utilized to act as electrical insulation. The AlN buffer was used as a foundation for an N-polar AlGaN/AlN polarization-doped field-effect transistor (PolFET) on silicon carbide (SiC). This is the first demonstration of an N-polar AlN-based polarization doped (PolFET, HEMT) field-effect transistor (FET). The combination of the N-polar structure, an improved edge-based contact technology, and the large charge density of the polarization-generated three-dimensional (3D) electron gas allows the fabrication of devices with more than 120 mA/mm current density. This is the highest value reported for an AlGaN/AlN heterostructure thus far. In addition, ion-implanted metal-polar AlN MESFET was demonstrated. The off-state breakdown voltage was 2370 V showing the great potential of AlN high-power applications.  

Tässä työssä kehitettiin III-nitridi (III-N) teknologiaa kahdella eri alueella, lisäämällä integraatiota ja toisaalta erittäin laajan energia-aukon alumiininitridi-pohjaisia (AlN) transistoreja. Galliumnitridin (GaN) epitaksiaa tutkittiin niin kutsuttujen pii-eristeen-päällä, silicon-on-insulator (SOI), alustakiteille. SOI-alustakiteet mahdollistavat paremman sähköisen eristämisen tehoelektroniikan sovelluksiin ja pienentävät alustakiteen johtavuudesta aiheutuvia häviöitä radiotaajuuksisissa sovelluksissa. Työssä havaittiin, että SOI-alustakiteet mahdollistavat paremman kidelaadun, pienemmän jännityksen ja paremman sähköisen eristyksen verrattuna tavanomaisiin pii-alustakiteisiin. SOI-kiekon eristekerros lisäsi pystysuuntaista läpilyöntikestävyyttä noin 400 V. Synkrotronisäteilyröntgentopografia vahvisti että kiteenvalmistuksen aikana muodostunut jännitys vapautuu komponenttipii-kerrokseen syntyvien dislokaatioden kautta. P-kanavan korkean elektroniliikkuvuuden transistoreja (HEMT), valmistettiin piin päälle GaN:sta monoliittisesti n-kanavan transistorien kanssa. Nämä transistorit saavuttivat huippusuorituskyvyn verrattuna jopa p-kanavan GaN-transistoreihin jotka on valmistettu safiirin päälle. GaN-pohjaisen komplementaarisen logiikan kehittäminen avaa mahdollisuuden huomattavasti korkeampaan integraatioon mahdollistamalla monoliittisen ohjauslogiikan tehokomponenteille. Työssä kehitettiin valmistusprosessi typpipolaarille AlN-pohjaiselle transistorille sekä ioni-istutetulle metallipolaarille AlN-metallihilatransistorille (MESFET).  AlN on erittäin lupaava materiaali suurtehosovelluksiin, koska sen läpilyöntikenttä on nelinkertainen galliumnitridiin verrattuna ja nelikymmenkertainen piihin verrattuna. Korkean kidelaadun typpipolaari AlN-kerros valmistettiin pienentämällä alustakiteen viinoonleikkausta, käyttämällä korkeampaa valmistuslämpötilaa, hitaampaa kasvunopeutta ja korkeaa V/III-suhdetta. Työssä kehitettiin eristävä typpipolaari AlN-puskurikerros laskemalla valmistuslämpötilaa, koska korkea valmistuslämpötila johtaa tahattomaan piiseostukseen. Työssä valmistettiin typpipolaari AlGaN/AlN polarisaatioindusoitu transistori (PolFET) käyttämällä piikarbidialustakidettä. Tämä on ensimmäinen III-N transistori joka perustuu typpipolaariin AlN:in. Typpipolaari rakenne yhdessä upotettujen metallisointien ja 3D-varauskonsentraation kanssa mahdollisti yli 120 mA/mm virrantiheyden saavuttamisen, joka suurin julkaistu virrantiheys AlGaN/AlN rakeinteille. PolFET:n lisäksi työssä valmistettiin ioni-istutettu metallipolaari MESFET jonka sulkutilan läpilyöntijännite oli 2370 V. Tämä on osoitus AlN-pohjaisten komponenttien mahdollisuuksista korkeatehosovelluksiin.
Description
Supervising professor
Sopanen, Markku, Prof., Aalto University, Department of Electronics and Nanoengineering, Finland
Thesis advisor
Suihkonen, Sami, Dr., Aalto University, Finland
Keywords
MOVPE, HEMT, PolFET, N-polar, AlN, GaN, typpipolaari, III-nitridi teknologia
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Jori Lemettinen, Christoffer Kauppinen, Marius Rudzinski, Atte Haapalinna, Turkka O. Tuomi, and Sami Suihkonen. MOVPE growth of GaN on 6-inch SOI- substrates: effect of substrate parameters on layer quality and strain. Semiconductor Science and Technology, 32, 4, 045003, March 2017.
    DOI: 10.1088/1361-6641/aa5942 View at publisher
  • [Publication 2]: Nadim Chowdhury, Jori Lemettinen, Qingyun Xie, Yuhao Zhang, Nitul S. Rajput, Peng Xiang, Kai Cheng, Sami Suihkonen, Han Wui Then and Tomás Palacios. p-Channel GaN Transistor based on p-GaN/AlGaN/GaN on Si. IEEE Electron Device Letters, May 2019.
    DOI: 10.1109/LED.2019.2916253 View at publisher
  • [Publication 3]: Jori Lemettinen, Hironori Okumura, Iurii Kim, Marius Rudzinski, Justyna Grzonka, Tomàs Palacios, and Sami Suihkonen. MOVPE growth of nitrogen- and aluminum-polar AlN on 4H-SiC. Journal of Crystal Growth, 487, 50-56, February 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201811095695
    DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.02.020 View at publisher
  • [Publication 4]: Jori Lemettinen, Hironori Okumura, Iurii Kim, Christoffer Kauppinen, Tomàs Palacios, and Sami Suihkonen. MOVPE growth of N-polar AlN on 4H-SiC: Effect of substrate miscut on layer quality. Journal of Crystal Growth, 487, 12-16, February 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201811095619
    DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2018.02.013 View at publisher
  • [Publication 5]: Jori Lemettinen, Hironori Okumura, Tomás Palacios and Sami Suihkonen. N- polar AlN buffer growth by MOVPE for transistor applications. Applied Physics Express, 11, 10, 101002, , September 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201811095636
    DOI: 10.7567/APEX.11.101002 View at publisher
  • [Publication 6]: Jori Lemettinen, Nadim Chowdhury, Hironori Okumura, Iurii Kim, Sami Suihkonen and Tomás Palacios. Nitrogen-Polar Polarization-Doped Field- Effect Transistor based on Al0.8Ga0.2N/AlN on SiC with drain current over 100 mA/mm. IEEE Electron Device Letters, June 2019.DOI: 10.1109/LED.2019.2923902
  • [Publication 7]: Hironori Okumura, Sami Suihkonen, Jori Lemettinen, Akira Uedono, Yuhao Zhang, Daniel Piedra and Tomás Palacios. AlN metal-semiconductor field-effect transistors using Si-ion implantation. Japanese Journal of Applied S, 04FR11, March 2018.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201811095650
    DOI: 10.7567/JJAP.57.04FR11 View at publisher
Citation