Improvement of performance and reliability of GaN-based high electronmobility transistors (HEMTs) using high-k dielectrics

Los transistores de alta movilidad electrónica (HEMT, por sus siglas en inglés) basados en GaN han sido ampliamente estudiados en las últimas décadas debido a su prometedor potencial en aplicaciones a alta potencia, alta frecuencia y alta temperatura, gracias a las únicas propiedades que posee el GaN, como son su ancha banda prohibida (3.4 eV), alto campo eléctrico crítico (> 3 MV/cm) y elevada velocidad de saturación. Sin embargo, todavía presenta algunos inconvenientes, tales como una alta corriente de fugas, colapso de corriente y efectos de atrapamiento de carga, además de problemas de estabilidad en condiciones desfavorables que limitan la fiabilidad de los dispositivos y su alto potencial. . En este trabajo de tesis doctoral, se han desarrollado dispositivos HEMT con puerta aislada, comúnmente denominados MOSHEMT (metal-aislante-semiconductor HEMT) haciendo uso de materiales aislantes de puerta de alta constante dieléctrica (k) y se ha evaluado su establidad térmica, eléctrica y bajo irradiación, con objeto the proporcionar soluciones a los problemas anteriormente mencionados.En primer lugar, algunos de los pasos críticos del proceso de fabricación de los dispositivos basados en GaN se han optimizado, como son el aislamiento eléctrico entre dispositivos (denominado aislamiento MESA) y el depósito de dieléctricos de puerta. Conseguir un buen aislamiento del dispositivo es necesario para evitar corrientes indeseables de fugas entre dispositivos. En este caso, se ha hecho uso de un ataque seco, mediante la técnica de ICP-RIE, y se han conseguido dispositivos con una superficie lisa, perfiles verticales y baja corriente de fugas tras optimizar los gases del plasma. Los mejores resultados se obtuvieron con una mezla de Cl2/ BCl3 con una composición de 10: 1. Posteriormente, hemos fabricado y caracterizado diodos convencionales y diodos MOS, así como HEMTs y MOSHEMTs utilizando Al2O3, HfO2 y ZrO2 en diferentes tipos de heterostructuras, tales como AlGaN/GaN, AlInn/GaN y GaN/AlInn/GaN. Las diferencias entre los tres tipos de dieléctricos de puerta sobre AlGaN/GaN son muy pequeñas, los dieléctricos han reducido la corriente de fugas por la puerta, la corriente de drenador en estado apagado en un factor de más de 104, un aumento de 103 en la relación de corriente encendido/apagado (ON/OFF) de, y una reducción del colapso de corriente y los efectos de carga atrapada en los dispositivos, especialmente con HfO2. Para los dieléctricos sobre AlInn/GaN, la corriente de fuga disminuyó en un factor de 103 en el caso de usar Al2O3 y HfO2, y la mayor relación ON/OFFera de hasta un 105 en los MOSHEMTs con ZrO2. En cuanto a los dieléctricos sobre GaN/AlInN/GaN, la corriente de fuga disminuyó en más de 107 y la relación ON/OFF aumentó a 106 en los MOSHEMTs con HfO2, respecto a HEMTs. Basándose en estos resultados, se realizó otra optimización mediante el uso de un tratamiento superficial basado en KOH previo al depósito de dieléctrico con objeto de mejorar los efectos de los dieléctricos en las heterostrucutras. En este caso, los dispositivos MOSHEMT se fabricaron en heteroestructructuras AlGaN/GaN con HfO2 de dieléctrico de puerta. Los resultados muestran que la limpieza usando KOH previa al depósito de HfO2 puede ayudar a reducir los efectos de carga atrapada en los dispositivos gracias a la limpieza de los defectos relacionados con resto de C en superficie. Los procesos de recocido térmico corto demostraron que la limpieza de KOH mejora la estabilidad de los dispositivos y la relación ON/OFF. Los efectos de ciclos térmicos se han evaluado en los dispositivos HEMTsobre AlGaN/GaN y AlInN/GaN, así como los MOSHEMTs sobre AlInN/GaN con HfO2 obteniedo que los complejos de oxígeno (ON) y vacantes de oxígeno (V-) actúan como centros de captura de carga. Además, se han analizadolos efectos de la irradiación con protones (H+) y helio (He+) en los dispositivos convencionales sobre heterostructuras AlInN/GaN y MOS con HfO2. Los resultados mostraron que los efectos de He+ irradiación son mucho más acusadosque con H+, y a mayor fluencia de iones, mayor es el más dañado causado en los dispositivos. Los resultados también mostraron que tras la irradiación los MOS-HEMTs son más estables que los HEMT convencionales, debido a los efectos de amortiguación de la capa dieléctrica.La irradiación con H+ en los dispositivos previamente fabricados mostraron que a los diodos MOS (MOS-Ds) con todos dielectircs les afecta menos la irradiación de protones que a los SDs convencionales. Sin embargo, en el caso de AlInN/GaN y GaN/AlInN/GaN, el ZrO2 MOS-Ds mostró una disminución en la corriente inversa (Irev) y en la corriente directa (Ifor) tras la irradiación. A continuación, se estudió el cambio de las características en DC de los HEMT y MOS-HEMT después de la irradiación. En el caso de AlGaN/GaN y GaN/AlInN/GaN, los MOS-HEMTs con HfO2 y Al2O3 mostraron una pequeña reducción en los valores de ID,max, y gm,max, especialmente usando HfO2, para el cuál el cambio es insignificante. En el caso de AlInN/GaN, las características de salida en DC apenas mostraron cambios en los MOS-HEMTs con ZrO2, junto con la disminución de la corriente de fuga en el MOS-Ds, presentado un comportamiento muy estable bajo irradiación A continuación, se estudiaron los efectos de estrés eléctrico en los HEMT de AlGaN/GaN y MOS-HEMT con HfO2. Los resultados mostraron que había un voltaje crítico entre drenador y puerta, aproximadamente en 33 V en los HEMT convencionales. A diferencia de la discusión anterior, este voltaje crítico se debe probablemente a las propiedades de la heterostructura: los defectos cristalográficos debidos al campo piezoeléctrico inverso, o a trampas inducidas por electrones calientes. Esto no se observó en los MOS-HEMTs, lo que implica las mejoras de los MOS-HEMTs con HfO2.Finalmente, se ha estudiado otro nuevo material dieléctrico, Gd2O3. Se ha analizado la estabilidad térmica de los dispositivos durante un recocido térmico corto, un proceso de ciclo térmico escalonado y un proceso térmico a largo plazo. Los MOS-HEMTs con Gd2O3 presentaron una baja corriente de fuga por la puerta y un comportamiento estable en DC durante el test térmico de larga duración. En cambio, los HEMTs convencionales mostraron degradación permanente después de un almacenamiento térmico de un día a 500oC, caracterizado por un aumentaron de la corriente de fugas por la puerta y en la resistencia de entrada, la reducción en la máxima corriente de drenadorje, máxima transconductancia y la relación de retardo de puerta (conocido por “gate lag”). Además, también se ha llegado a la conclusión de que un proceso de recocido térmico suave mejora la estabilidad térmica de los MOS-HEMTs con Gd2O3 dieléctrica. Por lo tanto, los MOS-HEMTs utilizando Gd2O3 presentan una mejor estabilidad térmica, por lo que son firmes candidatos para aplicaciones a alta temperatura, a diferencia de los dispositivos convencionales. Además, los resultados durante las pruebas del ciclo térmico han demostrado que a los MOS-HEMTs les afecta menos el estrés térmico debido a la protección de la capa dieléctrica bajo el metal de puerta, y los efectos de carga atrapada en la superficie de los dispositivos o en la intercara del canal que son mitigados con la capa dieléctrica de Gd2O3. ----------ABSTRACT---------- GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs) have been studied extensively in last decades due to its promising potential in high power, high frequency and high temperature applications, thanks to the attractive properties of GaN, such as wide band gap (3.4 eV), high critical electric field (> 3 MV/cm) and high saturation velocity. However, there are still some drawbacks, such as high leakage current, current collapse and trapping effects as well as devices stability at harsh environments. In this thesis work, the development of MOS-HEMTs (metal-oxide-semiconductor HEMTs) using high-k dielectrics and the assessment of their thermal, electrical and under irradiation stabilities have been discussed in order to provide solutions to the aforementioned issues. Firstly, some critical steps of the devices processing, including MESA isolation and gate dielectric deposition were optimized. A good device isolation is necessary to avoid undesired leakage currents among the devices. In this case, a dry etching using ICP-RIE technique was used, and we have achieved devices with smooth surface, vertical profile as well as low leakage current by optimizing the plasma mixture. The best results come from the Cl2/BCl3 = 10:1 composition. Afterwards, we have fabricated and characterized conventional and MOS-diodes, as well as HEMTs and MOS-HEMTs using Al2O3, HfO2 and ZrO2 on different kinds of heterostructures (HS), such as AlGaN/GaN, AlInN/GaN and GaN/AlInN/GaN. The differences among the three kinds of dielectrics on AlGaN/GaN are very small, the dielectrics have decreased the leakage current, off-state drain current by over 104, and increased the on/off ratio by 103, decreased the current collapse and trapping effects in the devices, especially HfO2. For the dielectrics on AlInN/GaN HS, the leakage current decreased by 103 by Al2O3 and HfO2, and the highest on/off ratio was up to 105 in the ZrO2 MOS-HEMTs. Regarding the dielectrics on GaN/AlInN/GaN HS, the leakage current decreased by more than 107, and the on/off ratio was increased to 106 in the case of HfO2 MOS-HEMTs compared with the conventional HEMTs. Based on the results from the comparison among the various MOS devices, another optimization technique aimed to improve the effects of dielectrics on the HS was done by pre-cleaning using KOH solution. The devices were fabricated on AlGaN/GaN HS with HfO2 dielectric. The results show that the pre-deposition cleaning using KOH can help reduce the trapping effects in the devices by cleaning the C related defects. The tests with short thermal annealing proved that KOH cleaning have improved the devices stability and improve the on/off ratio. The effects of thermal cycle tests on the devices including AlGaN/GaN HEMTs, AlInN/GaN HEMTs and HfO2/GaN/AlInN/GaN MOS HEMTs were studied, and the trapping center in the devices were analyzed to be O complex (ON) and O vacancy (V−).The irradiation effects on the AlInN/GaN conventional and MOS devices with HfO2 using H+ and He+ were analized. The results showed that the effects of He+ irradiation on the devices is much stronger than H+, and the higher the ion fluence, the more the damaged on the devices. Results also showed that the MOS-HEMTs are more stable than the conventional HEMTs after irradiation, due to the buffering effects of the dielectric layer. The H+ irradiation on the previously fabricated devices showed that the MOS-Ds with all dielectrics are less affected by the proton irradiation than the SDs. However, in the case of AlInN/GaN and GaN/AlInN/GaN HS, the ZrO2 MOS-Ds showed Irev and Ifor decrease after irradiation. This was explained by the improvement of isolation in the GaN buffer layer and Ni void formation within the interface. Then the DC characteristics change of the HEMTs and MOS-HEMTs after irradiation were studied. For the AlGaN/GaN and GaN/AlInN/GaN HS, the MOS-HEMTs with HfO2 and Al2O3 showed very small decrease on the ID,max, gm,max and Vth, especially HfO2, the change is negligible. For the AlInN/GaN HS, the DC characteristics degradation of MOS-HEMTs with ZrO2 is negligible, together with the leakage current decrease in the MOS-Ds, it is the best option for further studies under irradiation environments. Then the effects of electrical stress on the AlGaN/GaN HEMTs and MOS-HEMTs with HfO2 were studied. Results showed that there was critical point of gate drain voltage at about 33 V in the conventional HEMTs. Different from the previous discussion before, this critical voltage mostly probably due to the properties of the heterostructure: the crystallographic defects due to inverse piezoelectrical properties or hot electron induced traps. This was not observed in the MOS-HEMTs, implying the improvements of the MOS-HEMTs with HfO2 dielectric layers Finally, another new dielectric material Gd2O3 is studied. The thermal stability of the devices during a short thermal annealing, step thermal cycle process and long term thermal process, have been studied. The Gd2O3 MOS-HEMTs had a low gate leakage current and stable DC behaviour during the long thermal test. In contrast, the conventional HEMTs showed permanent degradation after a one-day thermal storage at 500°C, featured by an increased gate leakage current and on-resistance, reduced maximum drain current, maximum transconductance and gate lag ratio. In addition, we also concluded that a soft thermal annealing process enhanced the thermal stability of the MOS-HEMTs with Gd2O3 dielectric. Therefore, MOS-HEMTs using Gd2O3 dielectric with improved stability are well qualified candidates for high temperature applications compared with conventional HEMTs. Also, results during the thermal cycle tests have shown that the MOS-HEMTs were less influenced by temperature due to the protection of dielectric layer under the gate, and the trapping effects on the devices surface or in the channel interface were mitigated by the Gd2O3 dielectric layer