Technology Integration of GaN-on-Si HEMTs for Power Electronics Applications (Integratie van technologie van GaN-op-Si HEMTs voor vermogenselektronica toepassingen)

In dit proefschrift hebben we GaN-op-Si HEMTs (Gallium-nitride sensoren met hoge elektronen mobiliteit) onderzocht. III-nitride (III-N) materialen (GaN, AlGaN, AlN) zijn zeer nuttig voor toepassingen waarbij hoge spanningen en/of hoge temperaturen vereist zijn, vanwege hun uitstekende intrinsieke eigenschappen zoals grote bandgap en lage intrinsieke ladingsconcentratie. De III-N hetero-structuur (AlGaN/GaN) leidt tot de vorming van een 2-DEG (twee dimensionaal elektronengas) met hoge ladingsdichtheid en hoge mobiliteit dat o.a. kan worden gebruikt om een compact vermogenconversiesysteem te realiseren. GaN-op-Si HEMTs bieden in dit opzicht zeker een kosteffectieve oplossing. In kader van dit doctoraat werd getoond dat de parasitaire geleiding doorheen het AlN/Si grensvlak leidt tot een verzadiging van de doorslagspanning vanaf een bepaalde gate-drain afstand. Deze verzadiging kan worden verhoogd door het gebruik van dikke III-N buffers op Si. Het groeien van dikke buffers is echter moeilijk omwille van het grote verschil in roosterconstante en thermische uitzettingscoefficiënt tussen GaN en Si.

In dit doctoraatswerk werd een nieuwe methodologie ontwikkeld om de AlN/Sigrensvlakgeleiding lokaal te onderbreken en bijgevolg de doorslagspanning van AlGaN/GaN/AlGaN-DHFETs te verbeteren. Verschillende technologische concepten werden in dit verband vergeleken: 1) GSSR: Globale Si-substraat verwijdering, 2) LRDS: Locale Si-verwijdering tussen Source en Drain contacten en 3) STAD: Siverwijdering rond het drain contact. Na verwijdering van het Si substraat werd een lineaire toename van de doorslagspanning als functie van de gate-drain afstand gemeten. Een doorslagspanning van meer dan 2000 V werd gemeten voor een gate-drain afstand van 20 μm en een bufferdikte van 2 μm. De optimalizatie van GSSR naar LRSD tot STAD was nodig om de thermische prestaties van de transistor te verbeteren. Bij transistoren met het STAD concept, in tegenstelling met GSSR of LRSD, is het Sisubstraat nog aanwezig onder de gate, waar de maximale warmte gegenereerd wordt. Hierdoor kan de warmte meer efficient afgevoerd worden, waardoor de prestaties van de component aanzienlijk verhoogd worden. 

Door middel van dit concept van Si verwijdering wordt het bovendien mogelijk om dunnere buffers te gebruiken. Dit is een van de meest aantrekkelijke oplossingen voor het verkrijgen van goedkope en hoog-performante GaN transistoren.