Comparison of alloyed and non-alloyed ohmic contacts in GaN/algan HEMT for Ka band radar applications
Ka bant radar uygulamaları için GaN / algan HEMT yapılarında alaşımlı ve alaşımsız ohmik kontakların karşılaştırılması
- Tez No: 657011
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHSİNE BİLGE İMER, DOÇ. DR. ALPAN BEK
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Physics and Physics Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 153
Özet
Galyum Nitrür (GaN) bazlı Yüksek Elektron Hareketlilik Transistörü (HEMT), yüksek kırılma alanı, yüksek elektron sürüklenme hızı, yüksek çalışma sıcaklıkları gibi benzersiz malzeme malzeme özellikleri nedeniyle yüksek güçlü ve yüksek frekanslı uygulamalar için en güçlü alternatiftir. Düşük bir omik temas direnci (Rc), yüksek frekans ve yüksek çıkış gücünde cihaz performansını artırmak için kritik öneme sahiptir. Farklı metal türlerine ve metal katman kalınlıklarına sahip çeşitli metal alaşımlar rapor edilmiştir. GaN tabanlı HEMT aygıtlarında omik kontak metal oluşturmak için elektron demet buharlaştırma yönteni ile buharlaştırılmış Ti / Al / Ni / Au metal alaşımları yaygın olarak kullanılmaktadır. Genel olarak Ti bazlı omik kontaklar, 800 °C'nin üzerinde tavlama sıcaklıkları gerektirir. Yüksek sıcaklıklarda (800 °C'nin üzerinde) metal yığınlarının tavlanması, metal yüzey morfolojisinde ve metal kenar keskinliğinde bozulmaya yol açar ve bu durum aygıt üretiminde başta kapı kontak metal hizalaması olmak üzere sonraki aşamaların gerçekleştirilmesini zorlaştırır. Yüksek tavlama sıcaklıkları ayrıca epitaksiyel heteroyapı kalitesinde bozulmalara neden neden olabilir. HEMT aygıtı Ka-bandında (26.5GHz-40GHz) ve daha yüksek frekanslarda çalıştırmak için kapı uzunluğu (Lg) ve kaynak- akaç aralığı dahil olmak üzere transistör boyutlarını azaltmak önemlidir. Bunu gerçekleştirmek için, transistörün daha düşük direnç ve daha pürüzsüz omik kontak morfolojisi ile birlikte uygun epitaksiyel tasarıma sahip olması gerekir. Sadece omik kontak direnci değil, aynı zamanda küçültülmüş HEMT'nin omik kontak morfolojisi ve metal kenar keskinlikleri de çok önemlidir çünkü kapı hizalaması dahil olmak üzere sonraki üretim adımlarını etkiler. Girinti aşındırma ile metal kontakların düşük sıcaklıkta tavlanması (600oC), küçültülmüş GaN tabanlı HEMT'lere omik kontak metallerinin oluşturulmasının alternatif bir yoludur. Daha düşük sıcaklıklarda tavlama, metal yüzey morfolojisini makul tutmak için iyidir, ancak bu yöntem, HEMT cihazları için iyi olmayan daha yüksek temas dirençlerine neden olabilir. İmplantasyon, küçültülmüş HEMT'ler için omik kontaklar oluşturmanın başka bir yolu olabilir. İmplantasyonu yapılan atomların yüksek sıcaklıkta (~1200oC) tavlanması gerekir, bu da epitaksiyel katmanların büyüme sıcaklığı genellikle 900oC-1200oC aralığında olduğundan epitaksiyel kalitenin bozulmasına neden olabilir. Yeniden büyütme yöntemi omik kontak metallerin tavlanmasını gerektirmeyen ve alaşımlı ohmik kontaklara kıyasla çok daha iyi metal yüzey morfolojisi sağlayan bir omik kontak üretim yöntemidir ve bu özelliğinden dolayı oldukça ilgi görmektedir. Hem Moleküler Demet Epitaksi (MBE) yöntemi hem de Metal Organik Kimyasal Buhar Biriktirme (MOCVD) yöntemi ohmik kontaklar oluşturmak için GaN esaslı malzemelerin yeniden büyütülerek omik kontak üretim yönteminde kullanılırlar. Bu amaçla, bu çalışmada, Ka bandı uygulaması için belirlenmiş GaN tabanlı HEMT aygıt üretimi için MOCVD yeniden büyütme yöntemi ile üretilen InGaN alaşımsız omik kontakların geliştirilmesini açıklamaktadır. Bildiğimiz kadarı ile, Ka-bant uygulamaları için GaN tabanlı HEMT aygıtlarında MOCVD yeniden yöntemi kullanarak InGaN katmanlarının üretilmesi ve bu katmanları omik kontak üretiminde başarıyla uygulayan ilk grup biziz. Tüm mikrofabrikasyon işlemleri işlemleri Orta Doğu Teknik Üniversitesi (ODTÜ) Kaplama ve İnce Film Laboratuvarı ve AB MicroNano Firması'nda gerçekleştirildi. Önceden desenlenmiş wafer üzerine MOCVD yöntemi ile yeniden büyütülmüş ve omik kontak oluşturmak için çok önemli olan 1020cm-3'ün üzerinde yüksek katkılama konsantrasyonu elde edilmiştir. Üretimi yapılan metal kontak yüzeylerinin yüzey morfolojisinin mükemmel olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca performans karşılaştırması yapmak için alaşımlı omik komtaklara sahip olan HEMY aygıtların üretimi de yapılmıştır. Bu çalışmanın en önemli noktaları arasında: alaşımlı omik kontaklı HEMT ile karşılaştırıldığında, alaşımsız yeniden büyütülmüş InGaN ohmik kontakların 0.3 .mm'ye kadar iyileştirilmiş kontak direnci yer almaktadır. Hem kaynak-akaç akımı (Ids), hem transkondüktansta (gm) hem de küçük sinyal performansında yaklaşık % 7'lik bir iyileşme gözlenmiştir. Transistör büyük sinyal ölçümleri, MOCVD yeniden büyütme yöntemi ile üretilen InGaN omik kontaklı HEMT aygıtların çıkış gücünün, alaşımlı ohmik kontaklı HEMT aygıtlara kıyasla % 9 artarak 3.07 W / mm olduğu görülmüştür. Bu çalışmada, alüminyum katkılı çinko oksit (AZO) filmlerinin Atomik Katman Biriktirme (ALD) yöntemi ile üretilmiş ve karakterize edilmiştir. AZO ince filmlerinin Al oranı, değişen büyüme koşulları ile % 2-4 arasında elde edilmiştir. AZO ince filmlerde, yüksek katkılama (dejenere) kaynaklı tabaka direncinin 10-3 ohm/sq değerlerinde elde edilmiştir. MOCVD yeniden büyütme yöntemi ile elde edilen InGaN ince filmlerin elektriksel özellikleri ile benzer özelliklere sahip ALD yöntemi ile üretilen AZO ince filmler GaN temelli HEMT aygıtlarında omik kontak malzemesi için önemli bir alternatif olabilir. Bu bağlamda ALD yöntemi ile üretilen AZO ince filmlerin malzeme özellikleri incelenmiştir. İlk denemeler, optimize edilmemiş girinti aşındırma ve plazma sonrası temizleme koşulları nedeniyle beklenen sonuçları vermedi.
Özet (Çeviri)
Gallium Nitride (GaN) based High Electron Mobility Transistor (HEMT) is the most powerful alternative for high-power and high-frequency applications due to their unique material properties, such as high breakdown field, high electron drift velocity, high operation temperatures, high radiation resistance, and so on. A low ohmic contact resistance (Rc) is critical to enhancing the device performance at high frequency and high output power. Various metal stacks with different metal types and individual metal layer thicknesses have been reported. Electron beam evaporated Ti/Al/Ni/Au metal stacks have been widely used for ohmic contacts for GaN-based HEMT devices. In general, Ti-based ohmic contacts require higher annealing temperatures above 800 °C. Annealing metal stacks at high temperatures (above 800 °C) lead to a deterioration in the metal surface morphology and metal edge acuity which makes it difficult to carry out further operations to form the gate region. High annealing temperatures may also result in thermal degradation of the epitaxial heterostructure. It is essential to decrease the transistor dimensions including the gate length (Lg) and the source-drain spacing to operate the device at Ka-band (26.5GHz-40GHz) and higher frequencies. To realize these potentials, the transistor should have a proper epitaxial design along with lower on-resistance and smoother ohmic contact morphology. Not only ohmic contact resistance but also ohmic contact morphology and metal edge acuities of the down-scaled HEMT are very crucial since it affects the next coming device processing steps including gate alignment. Low-temperature annealing (1200oC) which may results in deteriorated epitaxial quality since the growth temperature of epitaxial layers is generally in the range of 900oC-1200oC. Regrown of GaN-based materials gathering great interest for forming an ohmic contact to HEMT which does not require annealing of metals which results in much better metal surface morphology compared to alloyed ohmic contacts. Both Molecular Beam Epitaxy (MBE) and Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) methods are used to grown non-alloyed GaN-based material for forming ohmic contacts. To this end, this work describes the development of MOCVD regrown InGaN non-alloyed ohmic contacts for GaN-based HEMT devices designated for Ka-band application. To do the best of our knowledge, we are the first group in the world to successfully implement MOCVD regrown of InGaN layers for forming non-alloyed ohmic contacts to GaN-based HEMT devices for Ka-band applications. Entire microfabrication processes were performed at Coatings and Thin Films Laboratory at Middle East Technical University (METU) and AB MicroNano Company. MOCVD regrown InGaN material which was grown on patterned wafer exhibited high doping concentration above 1020cm-3 which is crucial for forming ohmic contact and the corresponding surface morphology of metal contacts was excellent. HEMT with alloyed ohmic contacts were also fabricated to do a performance comparison. The highlights of this study include improved contacts resistance of non-alloyed regrown InGaN ohmic contacts down to 0.3 W.mm compared to HEMT with alloyed ohmic contacts. An almost 7% improvement was observed in both drain-source current (Ids), transconductance (gm), and small-signal performance. Large-signal measurements showed that the output power of the HEMT with non-alloyed regrown InGaN ohmic contact was 3.07 W/mm which was 9% higher compared to HEMT with alloyed ohmic contacts. In this work, Atomic Layer Deposition (ALD) of Aluminum doped Zinc Oxide (AZO) films were also characterized. Al composition of AZO films was varying in 2-4% with varying growth conditions. AZO films exhibited degenerate doping which corresponds to the sheet resistance of about 10-3 .cm. Having similar electronic properties with MOCVD of InGaN thin films, ALD of AZO could be an alternative for non-alloyed ohmic contacts to GaN-based HEMT devices. In this respect, an investigation of material properties of ALD of AZO films performed. Initial trials did not yield expected results due to not optimized recess etching and post-plasma cleaning conditions.
Benzer Tezler
- Effects of dielectric barrier discharge cold plasma on the quality of dandelion root infusions
Dielektrik bariyer boşaltım soğuk plazmanın karahindiba kökü infüzyonlarının kalitesi üzerine etkisi
BERFİN EDA ELÇİK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CELALE KIRKIN GÖZÜKIRMIZI
- Kranioplasti ameliyatlarında kullanılan 3-boyutlu kişiye özel titanyum implant ile titanyumun; polietilen, metilmetakrilat implant ve otolog kemik greftleriyle karşılaştırılması
Reconstruction skull defects with custom-made three dimensional titanium implants and comparison of titanium cranioplasty with polyethylene, methylmethacrylate implants and autologous bone grafts
YUNUS KAÇAR
- Biyomalzeme olarak kullanılan titanyum alaşımlarının mekanik davranışları ve korozyon özellikleri üzerine ısıl işlemin etkilerinin incelenmesi
Effects of heat treatment on corrosion properties and mechanical behavior of titanium alloys used as biomaterials
YEŞİM YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiFırat ÜniversitesiMetalurji Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜLYA DEMİRÖREN
- Zırh çeliklerinde kaynak sonrası ısı tesiri altında kalan bölgenin özelliklerinin ısıl işlem ile iyileştirilmesi
Improvement of properties of heat affected zone in armour steels by heat treatment after welding process
CİHAN EMRE MERZALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KELAMİ ŞEŞEN
- Çeliklere bor ilavesinin mikro yapı ve mekanik özellikler üzerine etkisinin sıcak haddeleme sonrası incelenmesi
Effect on steels added boron microstructure and mechanical properties after hot rolling
SERHAN ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT ERCAN AÇMA