GaN-Leistungselektronik für Mikrowellenanwendungen

FBHFerdinand-Braun-Institutfür Höchstfrequenztechnik

GaN-Leistungselektronik für Mikrowellenanwendungen

Joachim Würfl

Ferdinand-Braun-Institut für HöchstfrequenztechnikAlbert-Einstein-Straße 1112489 Berlin - Germany

Email: [email protected]


Gliederung

Warum GaN-Mikrowellenelektronik?

GaN/AlGaN elektronische Bauelemente

Technologie und Charakterisierung

Zusammenfassung und Ausblick

• Vorteile von GaN-basierten Bauelementen• Anwendungen und Märkte

• HEMTs• HBTs• Einfluss der spontanen und

piezoelektrischen Polarisation

• Epitaxie und Prozesstechnologie• DC- und Mikrowelleneigenschaften• Thermisches Verhalten• Zuverlässigkeit


Material-Eigenschaften

Si GaAs 4H-SiC 6H-SiC GaN

Bandabstand [eV] 1.1 ind 1,43 dir. 3.26 ind. 3.0 ind. 3.42 dir

Beweglichkeit [cm2/Vs] 1350 8500 800 250 800

Durchbruchspannung [106 V/cm] 0.3 0.4 2.0 2.4 3.3

Sättigungsgeschwindigkeit [107cm/s] 1.0 2.0 2.0 2.0 2.7

Johnsons Figure of Merit [µµVBr2 x vsat

2] 1 7 180 260 760

Betriebstemperatur [°C] < 200 < 300 > 500 > 500 > 500

ÞÞ Einsatzmöglichkeiten: A) Hochleistungs-/Hochfrequenzelektronik

B) Hochtemperaturelektronik


Eigenschaften verschiedener HF-Bauelemente

fmax

fT

gm

σVT

Pdiss

PowerHandling

BreakdownVoltage

Distortion

1/f noise

RF noise

Low noise amplifier

Osc

illato

r

GaAs - HEMTGaAs - HBTSi - BJT

High speed communication

Gate

arrayA

DC

AS

ICA

ircooledLSI

Highpower

ampl

ifier

GaN - HEMT


Erzeugung von Hochfrequenzleistung:Einsatzbereiche unterschiedlicher Technologien

0,1 1 10 100 1000

Frequenz (GHz)

0,1

1

10

100

1000

max

imal

e Le

istu

ng (

Wat

t)

Si

SiGeGaAs

InP

SiC

GaN


Einsatz von GaN in „Wireless“-SystemenSystemspezifische Entwicklungstrends

Künftige Realisierung in GaN-Technologien

• Digitale und analoge Signalverarbeitung im Basisband in Silizium-Technologie

• Die Schnittstelle zur digitalen Welt rückt näher an die AntenneàDigital Radio

• Trend zu Systemen mit nur einer Zwischenfrequenzà Spart Kosten für Komponenten

• Steigende Anforderungen bezüglichØ LinearitätØ RauschenØ AusgangsleistungØ Wirkungsgrad

• Qualitativ hochwertige GaN-Komponenten für Ø Hochleistungs-Mikrowellenverstärker (HPA)Ø SchalterØ Rauscharme Verstärker (LNA), Mischer

Analoge Empfänger- und Sendebausteine in digitaler Umgebung

Erhöhte Anforderungen an Funktionalität und Qualität


Vorteile von GaN-HFETs in Mikrowellenverstärkern

Konventionelle-Technologie GaN-Technologie

T T

T T

T T

T T

T

T T

T

T Tinput input outputoutput

• Höhere mögliche Betriebsspannungen führen zu- Höheren Leistungsdichten pro Powerzelle- Höheres Impedanzniveau- Geringeren Aufwand für Transformations- und Powercombiner-

Netzwerke• Weniger komplexe Schaltungsdesigns

- Kleinere Chipflächen- Höhere Zuverlässigkeit


III-Nitrid-Heterostrukturen für Mikrowellen-Leistungstransistoren

• Bandgap-EngineeringØ Realisierung von HFETs

• Spontane und piezoelektrische Polarisation

• Vorteile:Ø Reduzierte Coulomb-

Streuung im 2DEGØ Höhere

ElektronengeschwindigkeitØ Höhere DurchbruchspannungØ Hohe Ladungsträgerdichten

im Kanal


Funktionsweise des High Electron Mobility Transistors (HEMT)

AlGaAs GaAs

spacer

Beispiel GaAs/AlGaAs HEMT:• Elektronen aus AlGaAs driften an

GaAs/AlGaAs Grenzschicht• Ausbildung eines 2-DEG• Hohe Elektronenbeweglichkeit

entlang der Grenzschicht da wenig Störung durch Dotieratome

• 2-DEG Konzentration steuerbar durch Gate-Raumladungszone

Besonderheit GaN/AlGaN HEMT:

• 2-DEG-Konzentration durch zusätzliche Parameter einstellbar:ØSpontane PolarisationØPiezoelektrische Polarisation

Source DrainGate

AlGaAs

GaAs 2-DEG


Entstehung der spontanen Polarisation

Ionencharakter derGa-N-Bindung

Abweichung vomIdealen c/a Verhältnis

SpontanePolarisation+


Spontane und piezoelektrische Polarisation


c/a-Verhältnis und spontane Polarisation

• c/a-Verhältnis stets kleiner als im Idealfall• Spontane Polarisation steigt in Reihenfolge GaN, InN, AlGaN • Technisch relevant: Unterschied GaN und AlGaN


Spontane und piezoelektrische Polarisation in AlGaN/GaN HFET-Strukturen

Saphir

GaN

AlGaN

GaN

r+

r+

[0001]

Al

Ga

N

O

P SP

P PEP SP

P SP

-+

Ga

Al

N

O

P SP

PPEP SP

P SP

-+

ECEF

ECEF

2DEG

2DEG

[0001]

Ga-face Polarität N-face Polarität


AlGaN/GaN HFET Bauelementstruktur

Epitaxie: Institut für angewandte Festkörperphysik (IAF), Freiburg

• Beweglichkeit 1000 – 1500 cm²/V (300K)6000 – 8000 cm²/V (77K)

• 2DEG-Konzentration:0.8 – 1x1013 cm-2


AlGaN/GaN HEMT Technology (1)

Pre-treatments:

RIE (BCl3 : Ar)

HCl:H2O = 1:1, 30 s

Metallizations:

Ti/Al/Ti/Au

Ti/Al/Ti/Au/WSiN/Au

Contact annealing: RTA: 850°C, 30s

Mesa-etching, RIE (BCl3 : Ar)

He+ ion-implantation

)

5

5

)

5

5

)

)

)

Ohmic contact

Device isolation

S D

S D


Ohmic contact without WSiNx Cap Layer


Ohmic Contact with WSiNx Cap Layer

500 nm

WSiNxTi/Al/Ti/Au

AlGaN/GaN HFET structure

Gate

GateSource

Encapsulated contact structure:

Metallization: Ti/Al/Ti/Au + WSiNx cap

Schematic cross section of HFETSource / Gate region; SEM micrograph

• Excellent morphology and contact edge definition

• Contact Resistance Rc = 0.5 ... 1 Ωmm

• Stable up to 500 °C


AlGaN/GaN HEMT Technology (2)

Gate contact Optical lithography

Pre treatment: HCl : H2O, 1 : 1, 30 s

Metallizations:

Pt/Ti/Au (Standard)

WSiN/Au

Ir/Au

PECVD SiNx deposition

Ti/Au pad metallization

)

)

)

5

5

5

)

)

SG

D

Passivation, Pad-metallization

S G D

For high temperature devices)


Luftbrückentechnologie: Definition der Pfeiler

Lacktechnik für Pfeilerstruktur(zentriert über kompletten Emitterfinger)

Rundschmelzen des Lacks zur Erzeugung von Bogenstrukturen

20 µm FBH

20 µm FBH


Luftbrückentechnologie

Ti-Au-Ti-Platierbasis 2. Lackebene zur Definition der Brückenstukturen, Auffüllen mit zyanidischer Au-Galvanik

Abbau der oberen Lackstrukturen, Ätzen der Platierbasis, Entfernen der ersten Lackschicht


Technologie der Leistungszellen

Leistungszelle mit gemeinsamer Source-Struktur (über Luftbrücken verbunden)0,5 µm Gate Technologie (Stepper)

WSiNx-Diffusionsbarriere verkapselt inneren Kontakt


2“-Leistungszellenprozess

12-Finger-Leistungszelle: Paralleldesgin

Prozessierter 2“-Wafer mit GaN/AlGaNHFET Strukturen,Belichtungsfeldgröße: 9x9.6 mm²


Ausgangskennlinienfeld

• Transistor Abmessungen:- Gatelänge: 0.5 µm- Gateweite: 80 µm

• Idss_max: 700 mA/mm• gm: 230 mS/mm

Ø Geringer Hystereseeffekt


Transfer-Charakteristik

• Transistor Abmessungen:

- Gatelänge: 0.5 µm- Gateweite: 80 µm

• Idss_max: 700 mA/mm

• Pinch-off bei -3.9 V


Verteilung von Schicht- und Kontaktwiderstand


Homogenität der DC-Parameter über 2“

Ø Homogenität über 2“ besser als 2%


Vergleich passivierte / nicht passivierte HFETs

• Hysterese bei passivierten Transistoren stark reduziert

0 2 4 6 8 100

100

200

300

400

500

600 UGS ,start = +1 V,

UGS = +1 V

DUGS = -0.5 V UGS ,start = -2 V, DUGS = +0.5 V

I DS /

mA

/mm

UD S / V0 2 4 6 8 10

0

100

200

300

400

500

600 UGS ,start = +1 V, DUGS = -0.5 V UGS ,start = -2 V, DUGS = +0.5 V

I DS /

mA

/mm

UDS / V

UGS = +1 V

Vor Passivierung Nach Passivierung


HRXRD-Untersuchungen

• Zunahme der Verspannung in Richtung der c-Achse bei dickerer SiNx-Schicht

• Änderung der spontanen und piezoelektrischen Polarisation

• Höhere polarisationsinduzierte Schichtladung am AlGaN/GaN-Interface

• Höhere Ladungsträgerkonzentration im 2DEG

• Höherer Drainstrom

• Art der Passivierung beeinflusst elektronische Eigenschaften des Bauelements

33.5 34.0 34.5 35.0 35.5 36.010-1

100

101

102

103

104

105

unpassiviert 100 nm SiN x

Inte

nsit

ät (c

ps)

2 Theta (deg)

-0.004-0.0020∆c0 / A°

100500dSiNx/nm


Modell zur Beschreibung der höheren 2DEG-Konzentration nach Passivierung

[0001]

A lG aN

G aN

A l O2 3

S iN x

P S P

P S P P P EA lG aN

G aN

A l O2 3

P S P

P S P P P E

r+r+

Verspannungtens ile

Vor Passivierung Nach Passivierung


Mikrowellenmessplatz mit Koplanarspitzen


Hochfrequenzeigenschaften

Ø 20 dB/octave roll-off von |h21|2 und MUG


Homogenität der Mikrowelleneigenschaften

• Variation von fTund fmax fällt mit gm-Variation zusammen

-20 -10 0 10 200

10

20

30

40

50

60

70

fmax

x-direction f

max y-direction

ft x-direction

ft y-direction

Fre

qu

ency

(G

Hz)

Radius (mm)

y


Skalierung der Transitfrequenzen

• Reduktion von fT und fmax durch zunehmende Dominanz parasitärer Größen und durch Phasen-Mismatch

0 100 200 300 400 500 600 7000

10

20

30

40

50

60

VGS

= -2V , VDS

= 12V

f max

ft

Fre

qu

ency

(G

Hz)

Gate Width (µm)


Skalierung des Sättigungsstroms

• Deutliche Reduktion des Stroms aufgrund thermischer Effekte

• Besonders ausgeprägt bei großen Strukturen

Ø Hochleistungs-HFETs erfordern optimiertes thermisches Design

10 100 1000400

500

600

700

800

900

Nor

mal

ized

Sat

urat

ed

Dra

in C

urre

nt (

mA

/mm

)

Gate Width (µm)


Kleinsignal-Ersatzschaltbild

In ternal FET

G

S S

DR G

R DSU ´G S g m

t

R I

LG

C PG C PD

R D

R S

L S

L D

C G S

C G D R G D

C DS

• Standard Kleinsignal-Ersatzschaltbild beschreibt AlGaN/GaN HFETs


Kleinsignal Parameterextraktion und Modellierung

S11

S22

S21

S12

MessungModellierung entsprechend dem Kleinsignalersatzschaltbild

Ø Gute Übereinstimmung zwischen Modell und Messung

Ø Standard-Extraktionsmethoden beschreiben GaN/AlGaN-HFET Kleinsignalverhalten


Alterungstests bei 500°C

0 30 60 90 120100

200

300

400

500

RC

FB

gm,max

IDS,max

g m,m

ax,e

xtr, m

S/m

m

I DS, m

A/m

m

aging time, h

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

RC , W

mm

, FB / eV

• Stabile Eigenschaften nach Temperaturlagerung bei 500°C


Funktionsweise von HBTs

×

×

kT

E

vP

vN v

pB

nE

E

B

expEmitter Basis Kollektor

EV

ECEF

∆EV

∆EC

EV

ECEF

Elektronen-Injektionsstrom

Löcher-Injektionsstrom

Thermisches Gleichgewicht

Standard Betriebsbedingung

Beziehung von Kroemer

Nobelpreis in Physik 2000

Hochdotierte Basis bei gleichzeitig hoher Stromverstärkung ermöglicht:• Reduktion des Basis-

Bahnwiderstands• Dadurch deutliche Verringerung von

parasitären Impedanzen • Deutlich verbessertes

Hochfrequenzverhalten


HBT-Leistungstransistoren auf GaN-Basis

K K

EBB

EEE

B BB

Kollektor

• Kombination der bekannten Vorteile von HBTs mit GaN-spezifischen neuen Eigenschaften wie:

- Betrieb bei hohen Spannungen- Hohe Ausgangsleistungen

- Hohes Impedanzniveau

• Besondere technologische Herausforderungen:

- p-Dotierung der Basis problematisch da nur tiefe Akzeptorniveaus verfügbarØHohe Basisbahnwiderstände

- Keine selektiven Ätzverfahren zur Basiskontaktierung

- Selektive Epitaxie der Emitterschichten


GaN/AlGaN-HBTs: Schichtaufbau

Shelton etal: IEEE Trans Electr. Dev. 2001, 48(3) 416

Basis

Kollektor

Emitter:In 2. Epitaxieschrittüberwachsen


GaN-AlGaN HBTs: Eigenschaften

• Stromverstärkung: 12 bei RT, steigt mit abnehmender Temperatur

• Hohe Offsetspannung durch hohen Basisbahnwiderstand

• Für HF-Leistungsverstärkung noch nicht geeignet

Verbesserungspotenziale:• Optimierung der

p+-Basisdotierung

• Reduktion von Rekombinationseffekten an BE-Interface

J.J. Huang etal: IEEE Electr. Dev. Lett, 22(4), 2001


Zusammenfassung und AusblickGaN/AlGaN-HEMTs

GaN/AlGaN-HBTs

Künftige Entwicklungen

• Hohe 2DEG Konzentration bei gleichzeitig hoher Beweglichkeit

• 2DEG Konzentration durch Dotierung der Spenderschicht und durch spontane Polarisation einstellbar

• Technologie an der Schwelle zur industriellen Fertigung

• Rekordwerte: 50 Watt gepulst @ 6 GHz, 21 W CW @ 9 GHz, 5 W/mm auf Saphir, etwa 10 W/mm auf SiC

• Technologie am Anfang• Probleme der geringen p-Aktivierung noch nicht

gelöst

• Optimierung des thermischen Designs• GaN auf Silizium• Kommerziell verfügbare GaN HF-Leistungsmodule

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