Reliability measurements and analysis of gallium nitride on silicon carbide high electron mobility transistors (gan-on-sic hemts)
Silisyum karbür üzerinde galyum nitrat yüksek elektron hareketliliğine sahip transistörlerin (gan-on-sic hemt) güvenilirlik ölçümleri ve analizi
- Tez No: 991199
- Danışmanlar: PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yarı-yalıtkan SiC üzerine büyütülen galyum nitrür (GaN) yüksek elektron hareketliliğine sahip transistörler (GaN-on-SiC HEMT), yüksek güç ve yüksek frekans uygulamaları için lider teknoloji konumuna gelmiştir; ancak güvenilirlikleri halen gelişim aşamasındadır. Özellikle derin ters kutuplama altındaki kapalı (off-state) durumda, darbe iyonlaşması, sıcak elektron tutulması ve kapı/tampon kaçakları gibi alan kaynaklı arıza mekanizmaları baskındır ve bunlar artmış kaçak akımları, akım çökmesi ve zamana bağlı (time-dependent) yüksek gerilim kırılması olarak kendini gösterir. Bu tezde, GaN-on-SiC HEMT'lerin kapalı durum dayanıklılığı, uzun süreli off-state stres ve kaçak davranışı temel değerlendirme kriterleri olacak şekilde aygıt dizaynı (layout), mikrofabrikasyon süreçleri ve epitaksiyel tasarımı üzerinden sistematik olarak mühendislik yapılarak iyileştirilmektedir. GaN malzeme özellikleri, cihaz yapısı ve ilgili arıza mekanizmaları tanıtıldıktan sonra, önce başlangıç teknolojisinin RF-HTOL (RF-uygulamalı Yüksek Sıcaklık Çalışma Ömrü) davranışı karakterize edilerek bir referans düzey oluşturulmuştur. Gerçekçi RF stres koşulları altında gözlenen katastrofik arızalar, bir dizi geometrik optimizasyonu tetiklemiştir. Yanal yerleşimin yeniden düzenlenmesiyle, özellikle kapı--akaç aralığının arttırılması ve alan levhası (field-plate) ile akaç pedinin yeniden tasarlanması sayesinde, kırılma gerilimi anlamlı düzeyde artmış, RF çıkış gücü ve verimlilik ise neredeyse değişmeden korunmuştur. Ardından, fabrikasyona bağlı güvenilirlik dar boğazları ele alınmıştır. Kapı metali sonrası tavlama (post-metal annealing) ve iyileştirilmiş kapı ayağı aşındırma (gate-foot etch) adımları, kapı altında kalan artık SiN tabakasını giderip gerçek bir Schottky kapı temasını yeniden oluşturarak ciddi Q-noktası kararsızlığını ortadan kaldırmıştır. Devamında, in-situ O2/Ar iyonu kapı metal kaplaması öncesi yüzey temizlik işlemi ve yüksek sıcaklıklı PECVD birinci nitrid katmanı prosese eklenmiş, böylece kapı ve akaç kaçakları bir mertebeden fazla azaltılmış ve 200 °C'ye kadar HTRB testlerinde katastrofik arızalar neredeyse tamamen ortadan kaldırılmıştır. Bu iyileştirmeler DC-HTOL, HTRB, RF-HTOL ve kademeli HTRB (step-HTRB) testleri ile doğrulanmıştır. Son aşamada, elektrik alan yeniden dağılımı ve buffer kaynaklı tuzaklanmayı hedefleyen üç epitaksiyel mühendislik yaklaşımı incelenmiştir. TEM, element analizi ve elektriksel verilerin birleştirildiği ayrıntılı bir kök neden analizi, kapı altındaki uç derecede ince oksit tabakasının, akaç tarafı kapı kenarında darbe iyonlaşmasını belirgin şekilde arttırdığını göstermiştir. Bunu azaltmak için geliştirilen bir tampon katmanı mühendisliği adımında, c-GaN kalınlığının inceltilmesi ve karbon konsantrasyonunun büyütme koşulları ile arttırılması sayesinde dikey alan profili yeniden dağıtılmış, etkin darbe iyonlaşma hacmi azaltılmış ve uzun süreli HTRB sonrası nihai kapı/akaç kaçakları anlamlı düzeyde düşmüştür. Buna ek olarak iki epitaksiyel tasarım daha geliştirilmiştir. AlGaN/GaN/AlGaN arka bariyerli tasarım, HTRB koşulları altında yaklaşık %30 daha yüksek kırılma gerilimi ve iki kattan fazla artmış zamana bağlı arıza süresi sağlarken, RF performansını korumuş ve dinamik yayılmayı (dispersion) belirgin şekilde azaltmıştır. Toplam GaN kalınlığı yalnızca 200 nm olan yeni, Fe-içermeyen ultra-ince buffer mimarisi ise kırılma gerilimini yaklaşık %78 oranında arttırmış, RF çıkış gücü ve transkonduktansı iyileştirmiş ve incelenen stres penceresinde HTRB testlerinde hiç arıza gözlenmeden, kapalı durum kaçağını bir mertebe azaltmıştır. TCAD simülasyonları ve TEM analizi, bu epitaksiyel tasarımların kapı kenarındaki tepe elektrik alanını rahatlattığını tutarlı bir şekilde göstermektedir. Genel olarak, alan dağılımı ve kaçak-temelli güvenilirlik metrikleri ile yönlendirilen yerleşim, proses ve epitaksinin birlikte optimize edilmesiyle, GaN-on-SiC HEMT'lerin off-state güvenilirliğinin RF performansından ödün vermeden belirgin şekilde iyileştirilebileceği ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
Gallium nitride (GaN) high electron mobility transistors (HEMTs) on semiinsulating SiC (GaN-on-SiC HEMT) have become the leading technology for high-power and high-frequency applications, yet their reliability is still under development. In particular, off-state operation under deep reverse bias is dominated by field-driven failure mechanisms such as impact ionization, hot-electron trapping, and gate and buffer leakage, which manifest as increased leakage currents, current collapse, and time-dependent breakdown. This thesis focuses on understanding and improving the off-state robustness of GaN-on-SiC HEMTs by systematically engineering the device layout, fabrication processes, and epitaxial design, using long-term off-state stress and leakage behavior as the primary evaluation criteria. After introducing GaN material properties, device structure, and relevant failure mechanisms, the thesis first establishes a baseline by characterizing the RFHTOL (RF-biased High Temperature Operating Life) behavior of the initial technology. Catastrophic failures under realistic RF stress motivated a series of geometric optimizations. By rearranging the lateral layout, in particular increasing the gate–drain spacing and rearranging the field-plate and drain pad connections, the breakdown voltage was significantly increased while maintaining essentially the same RF output power and efficiency. Next, fabrication-related reliability bottlenecks were addressed. Post-metal annealing and improved gate-foot etch resolved severe Q-point instability by restoring a true Schottky gate and eliminating residual SiN under the gate. An in-situ O2/Ar ion pre-gate treatment and a high-temperature PECVD first nitride layer were then introduced, reducing gate and drain leakage by more than an order of magnitude and virtually eliminating catastrophic HTRB failures up to 200 ◦C. These improvements were validated by DC-HTOL, HTRB, RF-HTOL, and step-HTRB tests. Finally, the thesis investigates three epitaxial engineering routes targeting electric field redistribution and buffer-related trapping. A detailed root-cause analysis of gate degradation under HTRB test, combining TEM, elemental analysis, and electrical data, show that an ultra-thin oxide layer beneath the gate enhance the impact ionization at the drain-side gate edge. A dedicated buffer-engineering as thinning the c-GaN and increasing carbon concentration via growth condition control redistributes the vertical field, and reduces the active impact-ionization volume. That results in a reduction of final gate and drain leakage after longterm HTRB. Building on this, two epitaxial concepts are also developed. An AlGaN/GaN/AlGaN back-barrier design achieves roughly 30% higher breakdown voltage and more than a two-fold increase in time-to-failure under HTRB, with preserved RF performance and strongly reduced dynamic dispersion. A novel Fe-free ultra-thin buffer architecture with only 200 nm total GaN thickness further improves breakdown voltage by approximately 78%, increases RF output power and transconductance, and yields an order-of-magnitude reduction in off-state leakage, with zero failures observed in HTRB over the investigated stress window. TCAD simulations and TEM analysis consistently show that these epitaxial concepts relax the peak electric field at the gate edge. Overall, the thesis demonstrates that off-state reliability of GaN-on-SiC HEMTs can be substantially improved without sacrificing RF performance by coordinated optimization of layout, process, and epitaxy, guided by field distribution and leakage-based reliability metrics.
Benzer Tezler
- Çift darbe testi ile güç MOSFETlerinde, parazitik etki ve anahtarlama kayıplarının uygulamalı tespiti ve Monte Carlo yöntemi ile güvenilirlik analizi
Practical detection of parasitic effects and switching losses in power MOSFETs by double pulse test and reliability analysis by Monte Carlo method
ABDULKERİM ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Gan güç transistörlerinin anahtar kayıplarının nöral ağ tabanlı modellenmesi
Neural network based modeling of switching losses in gan power transistors
ALİİMZA DAŞDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Design and comparative analysis of an enhanced solid-state power controller for UAVs accommodating wide-band gap semiconductor switches
Geniş bant aralıklı yarı iletken anahtarları destekleyen iyileştirilmiş katı hal güç kontrol cihazı tasarımı ve karşılaştırmalı analizi
ÖMER SOLAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
- Improvement in performance and reliability of gallium nitride based high electron mobility transistor (HEMT)
Galyum nitrür tabanli yüksek elektron hareketliliğine sahip transistörün (HEMT) performans ve güvenilirliğinde iyileştirme.
AMIR ALI JOYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
PROF. DR. CEYHUN BULUTAY
PROF. DR. ALİ BOZBEY
- Prostat kanseri hastalarında osteoblastik metastaz ve enostozların PSMA PET/BT'nin kontrastsız bileşeni ile dansite özelliklerinin ve klinik parametrelerin değerlendirilmesi
Evaluation of density characteristics and clinical parameters of osteoblastic metastases and enostoses in prostate cancer patients using the non-contrast component of PSMA PET/CT
AHMET MALKOÇOĞLU
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2026
Radyoloji ve Nükleer TıpSivas Cumhuriyet ÜniversitesiRadyoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ENES GÜL