Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1780
Main Title: Development and study of AlGaN/GaN microwave transistors for high power operation
Translated Title: Entwicklung und Anlayse von AlGaN/GaN Mikrowellentransistoren für hohe Ausgangsleistungen
Author(s): Chaturvedi, Nidhi
Advisor(s): Tränkle, Günther
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Leistungstransistoren basierend auf den Halbleitermaterial (AlGa)N sind die zukunftsträchtigsten Bauteile diese Zeit, wenn es gleichzeitig um die Erfüllung der Anforderungen nach hoher Ausgangsleistung, hoher Umgebungstemperatur und hoher Arbeitsfrequenz geht. Bevor jedoch die Kommerzialisierung von AlGaN/GaN HEMTs stattfinden kann, müssen noch weitere Arbeiten zur Verbesserung der Bauteiltechnologie, der Epitaxie, des Designs und weiterer limitierenden Faktoren durchgeführt werden. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung und Untersuchung von AlGaN/GaN-HEMTs für Hochleistungsanwendungen im Frequenzbereich bei 2 GHz. Technologiestabilisierende Maßnahmen beinhalten die Einführung einer Nitrid passivierungsschicht, sowie die Optimierung der ohmschen und Schottky Kontakte. Durch die Verwendung der Nitrid passivierungschicht wurde eine Verdreifachung der Ausgangsleistung der Transistoren erreicht. Bei einem 2x50 µm Transistor wurde so eine Leistungsdichte von 5,2 W/mm bei 2 GHz erreicht. Niederohmige Kontakte (0.3 W-mm) mit guter Oberflächenbeschaffenheit und guter Leitungskantenbeschaffenheit wurden erreicht. Dadurch wurde eine höhere Stromtragfähigkeit, eine genauere Gate-Ausrichtung, kleinere Source-Gate-Distanz und kleinerer Sourcewiderstand erreicht, was zur verbessertem Verhalten bei hohen Frequenzen führt. Schottky-Kontakte wurden auf geringe Leckströme, Barrierehöhen, kleinen Idealitätsfaktor und Temperaturstabilität geprüft. Um hohe Ausgangsleistungen zu erriechen wurde das Epitaxiedesign optimiert. Das Absinken des Stromes (current collapse) wurde untersucht durch die Verwendung von gepulsten Stromspannungsmessungen, sowie der Einfluss des Phänomens auf das Hochfrequenzverhalten der Transistoren. Um das Problem der current collapse zu lösen werden so fortschrittliche Techniken wie eingebettetes Gate, Einführung einer Feldplatte und die Optimierung der Passivierungsschicht diskutiert. Um das Leistungsniveau zu erhöhen wurden große Transistoren mit verschiedenen Gateweiten von 100 µm (2x50 µm), 1 mm (8x125 µm), 2 mm (16x125 µm) and 4 mm (16x250 µm) entworfen, hergestellt und charakterisiert. Eine maximale Ausgangsleistung von 13.8 W würde für einen 4 mm Transistor gemessen Der Aufbau von großen Transistoren wurde umgestaltet, um mittels neuartiger Speisenetzwerke und dem Einsatz einer Feldplatte das Problem der current collapse und das der Parasitäten des Transistors zu lösen. Eine neu gestaltete Leistungszelle (mit Feldplatte) bestehend aus 8 Fingern mit je 500 µm Gateweite erreichte eine Sättigungsausgangsleistung von 42,3 dBm (17 W) bei einer Drainspannung von 30 V. Die lineare Leistungsverstärkung war 21,6 dB und der Wirkungsgrad lag bei maximal 46%. Diese Leistungszellen wurden zu Leistungsbarren mit 11 Zellen zusammengefasst (11x8x500 µm) und in einem kommerziellen CuW-Gehäuse untergebracht. Eine sehr hohe Ausgangsleistung von 50 dBm (101 W) wurde bei 2 GHz erreicht. Der Wirkungsgrad betrug 40% und die lineare Verstärkung 14 dB.
Power transistors based on (AlGa) N materials are the most emerging and demanding devices of this era for high power, high temperature and high frequency microwave applications. The outstanding properties of AlGaN/GaN heterostructures such as high sheet carrier concentration, high electron mobility, large electron saturation velocity and in particular high breakdown voltage make AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) promising candidates for these applications. However before tremendous commercialization of AlGaN/GaN HEMTs, more work is needed to improve device technology, epitaxy, design and other performance limiting factors. This thesis focuses on the development and investigations of AlGaN/GaN high electron mobility transistor for high power operation at 2 GHz. Technology stabilization process included introduction of nitride passivation layer, ohmic contact and Schottky contact optimizations. A 3-fold increase in output power was achieved using nitride passivation layer. A 2x50 µm device delivered a power density of 5.2 W/mm @ 2 GHz. Low resistant (0.3 W-mm) ohmic contact with good surface morphology and proper line edge definition was achieved, enabling high current, finer gate alignment, low source gate distance, low source resistance and therefore high-speed operation. Schottky contacts were tested for low leakage, high barrier height, low ideality factor and high temperature stability. To achieve high power output, epitaxy design was optimized. Increasing Al content of AlGaN layer and introducing AlN interface layer improved device performance. Despite much progress and improvement in technology and epitaxy designs, current collapse continued to be a big limiting factor that contributed to compromised power performance. Current slump was studied using pulse current-voltage measurements and its effects on RF properties were examined. To solve the problem of current collapse, advanced processing issues such as development of embedded gate technology, implementation of field plate structure and optimization of passivation layer are discussed In order to increase power level, large periphery devices having different gate widths of 100 µm (2x50 µm), 1 mm (8x125 µm), 2 mm (16x125 µm) and 4 mm (16x250 µm) were designed, fabricated and characterised. A maximum power level of 13.8 W was recorded on a 4 mm wide device. Design of large periphery devices was modified using a new feed line and feed plate structure to solve the problem of current collapse and design parasitics. A newly designed (feed plate design) power cell consisting of 8 fingers each having 500 µm gate widths, yielded a saturated output power of 42.3 dBm (17 Watt) at a drain voltage of 30 V. Linear gain of this power device was 21.6 dB and power added efficiency increased up to 46 %. These power cells were then grouped together to form power bars and were packaged into a commercial CuW-package. A very high power output of 50 dBm (101 W) @ 2 GHz, a PAE of 40 % and a gain of 14 dB was recorded on an 11x8x500 µm packaged power bar. Thermal simulations were performed to study the thermal issues in large periphery devices.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-17519
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2077
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1780
Exam Date: 14-Nov-2007
Issue Date: 14-Feb-2008
Date Available: 14-Feb-2008
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): AlGaN-GaN
Current collapse
Ohmic metallization
Passivation
Schottky metallization
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