Yüksek güç uygulamaları için galyum nitrür temelli yüksek elektron hareketlilikli transistör tasarımı, fabrikasyonu ve karakterizasyonu
Design, fabrication and characterization of gallium nitride based high electron mobility transistors for high power application
- Tez No: 650939
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞADAN ÖZCAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Science and Technology, Electrical and Electronics Engineering, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 237
Özet
Bu çalışmada, yüksek güç uygulamaları için yeni epitaksiyel yapılar, Metal Organik Kimyasal Buhar Biriktirme (MOCVD) yöntemi ile büyütüldü. Büyütülen bu yapıların elektriksel ve yapısal incelemeleri için Fotolüminesans (PL) Ölçüm Sistemi, Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM), X-Işını Kırınımı (XRD), Hall Etkisi Ölçüm Sistemi, Diferansiyel Girişim Kontrast (DIC) Mikroskobu ve Mekanik Profilometre kullanıldı. Büyütülen bu epitaksiyel yapılar üzerinde yüksek elektron hareketlilikli transistör (HEMT) aygıt fabrikasyonu yapıldı. DC I-V ve RF (Radyo Frekans) güç ölçümleri alınarak yüksek güç uygulamaları için deneysel yollarla en uygun epitaksiyel yapı belirlendi. Belirlenen bu epitaksiyel yapı üzerinde Silvaco ATLAS programı kullanılarak X-bant aralığında (8-12 GHz) çalışacak yüksek güçlü HEMT aygıtlar için aygıt yapısı simülasyon çalışmaları yapıldı. Yapılan simülasyon çalışmalarında; gate (kapı) uzunluğu 〖(L〗_G), 300 nm olmak üzere gate-kaynak (source) arası mesafe 〖(L〗_GS) artıkça maksimum doyum akımının 〖(I〗_DSS), geçiş iletkenliğinin 〖(g〗_m) ve maksimum DC çıkış gücünün 〖(P〗_(DC_max)) azaldığı ve akaç (drain)-kaynak arası mesafe 〖(L〗_DS) arttıkça I_DSS, g_m ve kırılma geriliminin 〖(V〗_br) de çok değişmediği görüldü. Simülasyon çalışmaları sonucunda L_G 300 nm olmak üzere L_GS ve L_DS için optimum değerler, ardışık olarak 800 nm ve 3 µm olarak belirlendi. Bu değerler kullanılarak Alan Levhalı I-gate, Si3N4 Üzerinde Duran Gama (Γ)-Gate ve Bir Kısmı Si3N4 İçine Gömülü ve Bir Kısmı da Havada Duran Gama (Γ)-Gate yapılı HEMT aygıtlar simüle edildi ve bu gate tipleri için optimum değerler belirlendi. Optimum simülasyon sonuçları kullanılarak I-gate (Tip-1), Alan Levhalı I-gate (Tip-2), Si3N4 Üzerinde Duran Gama (Γ)-Gate (Tip-3), Oyuklu (Recessed) Gama (Γ)-Gate (Tip-4) ve Bir Kısmı Si3N4 İçine Gömülü ve Bir Kısmı da Havada Duran Gama (Γ)-Gate (Tip-5) tipleri için HEMT aygıt fabrikasyonları yapıldı. Değişik gate yapıları içeren bu aygıtlar için; maksimum doyum akımı〖(I〗_DSS), geçiş iletkenliği 〖(g〗_m), eşik voltaj 〖(V〗_th), akım kazancı kesilim frekansı 〖(f〗_T), maksimum salınım frekansı 〖(f〗_max) ve 8 GHz'de küçük-sinyal kazancı ve RF çıkış gücü 〖(P〗_out) karşılaştırması yapıldı. RF çıkış gücü 〖(P〗_out); gate yapısı, alan levhalı yapıdan gama gate'li yapıya dönüştürüldüğünde 1 dB artmaktadır. V_th, g_m, f_T ve f_max değerleri; gate ayağı ile başı arasındaki dielektrik tabakasının kalınlığı minimize edildiğinde maksimum olmaktadır. Gate için oyuk (recess) oluşturmak, I_DSS değerini düşürmekte ancak P_out değerini arttırmaktadır.
Özet (Çeviri)
In this study, novel epitaxial structures for high power applications have been grown by using Metal-Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD) technique. Photoluminescence (PL), Atomic Force Microscopy (AFM), X-Ray Diffraction (XRD), Hall Effect Measurement Systems, Differential Interference Contrast (DIC) Microscopy and Mechanical Profilometer were used for electrical and structural analysis of the grown epitaxial samples. High electron mobility transistor (HEMT) device fabrication was performed on these epitaxial samples. DC I-V and RF (Radio Frequency) power characterization were carried out and the most suitable structure was determined by experimental methods for high power applications. Device structure simulation studies were performed on the determined epitaxial structure for high power HEMT devices operating in the X-band range (8-12 GHz) by using the Silvaco ATLAS program. In the simulation studies when the gate length 〖(L〗_G) is 300 nm, It was seen that as the gate-source distance 〖(L〗_GS) increases, the maximum saturation current 〖(I〗_DSS), the transconductance 〖(g〗_m) and the maximum DC output power 〖(P〗_(DC_max)) decrease and I_DSS, g_m and breakdown voltage 〖(V〗_br) do not change much as the distance between drain and source 〖(L〗_DS) increases. As a result of the simulation studies, optimum values for L_G, L_GS ve L_DS were determined as 300 nm, 800 nm and 3 μm respectively. HEMT devices with an I-gate with a Field Plate, a Standing Gamma (Γ)-Gate on Si3N4 and a Gamma (Γ)-Gate, Partially Embedded in Si3N4 and Partially Standing in the Air were simulated by using these values. HEMT device fabrication was performed for gate types such as I-gate (Type-1), I-gate with a field plate (Type-2), a Standing Gamma (Γ)-Gate on Si3N4 (Type-3), Recessed Gamma (Γ)-Gate (Type-4), a Gamma (Γ)-Gate, Partially Embedded in Si3N4 and Partially Standing in the Air (Type-5) by using the optimized simulation results. The maximum saturation current 〖(I〗_DSS), transconductance 〖(g〗_m), pinch-off voltage 〖(V〗_th), current-gain cutoff frequency 〖(f〗_T), maximum oscillation frequency 〖(f〗_max) and RF characteristics of the devices in terms of the small-signal gain and RF output power 〖(P〗_out) at 8 GHz were investigated. The results showed that the output power is increased 1 dB when the gate structure changed from field plate to gamma gate. The V_th, g_m, f_T and f_max values are maximized when the thickness of the passivation layer between the gate foot and the gate head is minimized. I_DSS is decreased and P_out is increased, respectively, when the gate recess etching process is performed.
Benzer Tezler
- Broadband GaN LNA MMIC development with the micro/nano process development by kink-effect in S22 consideration
S22'de gözlenen kink-etkisi dikkate alınarak genişbantlı GaN LNA MMIC ve mikro/nano proses geliştirilmesi
SİNAN OSMANOĞLU
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- HEMTs yapılarının sonlu elemanlar yöntemi ile kanal modülasyonu açısından modellenmesi
Modeling of HEMTs structures with finite element method in terms of channel modulation
YASİN DOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKastamonu ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN ÇİÇEK
- GaN based high efficiency class AB power amplifier design for sub-6GHz 5G transmitter systems
6GHz altı 5G verici sistemleri için GaN tabalı yüksek verimliliğe sahip AB sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarımı
KUDRET ÜNAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BERKE YELTEN
- Mikro/nano entegre devrelerde çeşitli ara bağlantı ve transistör üretim yaklaşımlarının aygıt performansına etkisinin incelenmesi
Analysing the effect of various interconnect structures and transistor production approaches on the device performance in micro/nano integrated circuits
GÖKHAN KURT
Doktora
Türkçe
2020
Fizik ve Fizik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET KABAK
- GaN HEMT based MMIC design and fabrication for ka-band applications
Ka-bant uygulamaları için GaN HEMT tabanlı MMIC tasarımı ve üretimi
BÜŞRA ÇANKAYA AKOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY