AlGaN / GaN-on-Si MOS-HEMT의 Si CMOS 호환성을 향상 시키기 위한 Au free 오믹/쇼트키 접합 및 단결정 산화물에 관한 연구 Study on Au free Ohmic/Schottkhy contact and single crystalline oxide for enhancing Si CMOS compatibility in AlGaN/GaN-on-Si MOS-HEMT원문보기
질화 갈륨은 전력 및 무선 주파수 장치의 차세대 제품으로 기대됩니다. 파괴 강도, 빠른 스위칭 속도, 높은 열전도도 및 낮은 온 저항 (Ron)으로 ...
질화 갈륨은 전력 및 무선 주파수 장치의 차세대 제품으로 기대됩니다. 파괴 강도, 빠른 스위칭 속도, 높은 열전도도 및 낮은 온 저항 (Ron)으로 GaN 기반 전력 장치는 기존 Si 기반 전력 장치보다 월등히 우수한 성능을 발휘합니다. 따라서 GaN 기반 전력 장치는 배터리 충전기, 스마트 폰, 컴퓨터, 서버, 자동차, 조명 시스템 및 태양 광 발전 장치의 전력 변환 시장에서 핵심적인 역할을 수행 할 것입니다. 실용적인 저비용 GaN 벌크 기판이 없다면 GaN 은 다양한 기판 위에 성장해야하며, 가장 널리 사용되는 기판은 사파이어, 실리콘 카바이드 (SiC) 및 실리콘 (Si)입니다. 후보들 중에서, Si 기판은 격자 상수 및 열 팽창 계수 (CTE)의 큰 불일치에도 불구하고, 특히 큰 Si 기판에 대해 에피 택시 도전을 부과하는 큰 웨이퍼 직경 (200mm 이상)으로 인해 GaN 성장에 매력적으로 되었습니다. 실리콘으로 시장 점유율을 점유하려면 GaN 디바이스를 저가의 재현 가능하고 신뢰할 수 있는 생산 공정으로 제조해야 합니다. 기존 200mm Si 생산 설비에서 GaN-on-Si 전력 장치를 제조 할 수 있는 능력은 Si 전력 기술에 대한 추가 비용 경쟁력을 제공합니다. 이 논문은 AlGaN / GaN 고 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT) 기술에서 Au-free 오믹 / 쇼트 키 접촉 산화물의 구현을 방해하는 문제를 해결 하기 위한 것입니다. 또한, AlGaN / GaN 금속 산화물 반도체 (MOS) -HEMT 에서 전류 누설을 줄이는 단결정 게이트 산화물을 개발함으로써 소자 신뢰성 향상을 연구하였습니다. 1 장에서는 질화 갈륨의 우수한 재료 특성을 소개함으로써 차세대 전력 / RF 디바이스의 강력한 후보로 삼고 있습니다. GaN 기술에 대한 Si CMOS 호환 제조의 통합 과제에 대한 필요성이 질적으로 기술 될 것입니다. 2 장은 Si 기판 상에 에피 택셜 성장 된 AlGaN / GaN 파워 트랜지스터를 위해 상보 형 금속 - 산화물 반도체 (CMOS) 호환 Au free Si / Ti / Al / Cu 오믹 금속접합 기법의 디바이스 프로세싱 기술을 개발했습니다. Si / Ti / Al / Cu 금속 배선은 Si 계면 층을 최적화 한 후에 3.5 × 10-6Ω-cm2의 낮은 비 접촉 저항을 나타냈습니다. 오믹 금속 표면은 24 nm 의 평균 제곱근 거칠기로 매끄럽습니다. 물리적 특성 분석은 국부적으로 분리 된 TiSix 합금이 장벽으로 작용했기 때문에 반도체로의 Cu 확산이 억제되었음을 확인했습니다. 3 장 티타늄 다이 실리사이드 / 구리 (TiSi2 / Cu) 게이트 낮은 게이트 누설 전류를 갖는 AlGaN / GaN HEMT 가 시연됩니다. TiSi2 / Cu 게이트 디바이스는 기존의 Ni / Au 게이트 디바이스와 유사한 전기적 특성을 보여줍니다. 게이트 전압이 -20 V 일 때, 게이트 길이가 5 m 이고 너비가 200 m 인 TiSi2 / Cu 게이트 디바이스의 일반적인 게이트 누설 전류는 5.15 × 10-7 mA/mm 로 Ni / Au 게이트 소자보다 1000 배가 적습니다. 제 4 장 AlGaN / GaN MOS-HEMT 를위한 무선 주파수 (RF) - 스퍼터링 된 ZnO 게이트 유전체가 다양한 O2 / Ar 비율로 조사되었습니다. 4.5 %의 낮은 산소 함량으로 증착 된 ZnO 는 스퍼터링 공정 동안 산소 공극의 보상으로 인해 높은 유전 상수 및 낮은 계면 트랩 밀도를 보였습니다. MOS-HEMT 는 기존의 Ni / Au HEMT 와 비교하여 출력 전기 특성은 비슷하지만 게이트 누설 전류는 낮습니다. 게이트 전압이 -20 V 일 때, 게이트 길이가 6 m 이고 너비가 100 m 인 MOS-HEMT 의 일반적인 게이트 누설 전류는 8.2 × 10-7 mA/mm 로 낮았으며 Ni / Au 쇼트 키 게이트 HEMT 보다 1000 배 낮습니다. 제 5 장은 전자빔 증발 (EBE)을 사용하여 성장 된 Si (100) 기판상의 단결정질 베릴륨 산화물 (BeO)의 박막의 성장 특성 및 전기적 특성을 설명합니다. BeO 의 상업적 생존력을 확장하기 위해 EBE 와 열 산화의 조합을 최적화하여 나노 수준의 반도체 장치에서의 사용을 용이하게 했습니다. EBE BeO 박막의 표면은 원자 힘 측정 및 X 선 광전자 분광법을 사용하여 결정된 바와 같이 제한된 양의 천연 산화물 또는 금속 실리케이트로 매끄러운 것으로 판명되었습니다. 또한, 고해상도 투과 전자 현미경으로 필름이 매우 결정 성임을 확인 하였습니다. 6.77 의 유전 상수 및 8.3 MV/cm 의 항복 전압을 포함한 우수한 절연체 특성이 일련의 커패시턴스 - 전압 및 누설 전류 측정으로부터 추론되었습니다. 마지막으로, 6 장에서는 이 논문에서 수행 된 작업을 요약하고 7 가지 이슈와 향후 작업을 제안합니다.
질화 갈륨은 전력 및 무선 주파수 장치의 차세대 제품으로 기대됩니다. 파괴 강도, 빠른 스위칭 속도, 높은 열전도도 및 낮은 온 저항 (Ron)으로 GaN 기반 전력 장치는 기존 Si 기반 전력 장치보다 월등히 우수한 성능을 발휘합니다. 따라서 GaN 기반 전력 장치는 배터리 충전기, 스마트 폰, 컴퓨터, 서버, 자동차, 조명 시스템 및 태양 광 발전 장치의 전력 변환 시장에서 핵심적인 역할을 수행 할 것입니다. 실용적인 저비용 GaN 벌크 기판이 없다면 GaN 은 다양한 기판 위에 성장해야하며, 가장 널리 사용되는 기판은 사파이어, 실리콘 카바이드 (SiC) 및 실리콘 (Si)입니다. 후보들 중에서, Si 기판은 격자 상수 및 열 팽창 계수 (CTE)의 큰 불일치에도 불구하고, 특히 큰 Si 기판에 대해 에피 택시 도전을 부과하는 큰 웨이퍼 직경 (200mm 이상)으로 인해 GaN 성장에 매력적으로 되었습니다. 실리콘으로 시장 점유율을 점유하려면 GaN 디바이스를 저가의 재현 가능하고 신뢰할 수 있는 생산 공정으로 제조해야 합니다. 기존 200mm Si 생산 설비에서 GaN-on-Si 전력 장치를 제조 할 수 있는 능력은 Si 전력 기술에 대한 추가 비용 경쟁력을 제공합니다. 이 논문은 AlGaN / GaN 고 전자 이동도 트랜지스터 (HEMT) 기술에서 Au-free 오믹 / 쇼트 키 접촉 산화물의 구현을 방해하는 문제를 해결 하기 위한 것입니다. 또한, AlGaN / GaN 금속 산화물 반도체 (MOS) -HEMT 에서 전류 누설을 줄이는 단결정 게이트 산화물을 개발함으로써 소자 신뢰성 향상을 연구하였습니다. 1 장에서는 질화 갈륨의 우수한 재료 특성을 소개함으로써 차세대 전력 / RF 디바이스의 강력한 후보로 삼고 있습니다. GaN 기술에 대한 Si CMOS 호환 제조의 통합 과제에 대한 필요성이 질적으로 기술 될 것입니다. 2 장은 Si 기판 상에 에피 택셜 성장 된 AlGaN / GaN 파워 트랜지스터를 위해 상보 형 금속 - 산화물 반도체 (CMOS) 호환 Au free Si / Ti / Al / Cu 오믹 금속접합 기법의 디바이스 프로세싱 기술을 개발했습니다. Si / Ti / Al / Cu 금속 배선은 Si 계면 층을 최적화 한 후에 3.5 × 10-6Ω-cm2의 낮은 비 접촉 저항을 나타냈습니다. 오믹 금속 표면은 24 nm 의 평균 제곱근 거칠기로 매끄럽습니다. 물리적 특성 분석은 국부적으로 분리 된 TiSix 합금이 장벽으로 작용했기 때문에 반도체로의 Cu 확산이 억제되었음을 확인했습니다. 3 장 티타늄 다이 실리사이드 / 구리 (TiSi2 / Cu) 게이트 낮은 게이트 누설 전류를 갖는 AlGaN / GaN HEMT 가 시연됩니다. TiSi2 / Cu 게이트 디바이스는 기존의 Ni / Au 게이트 디바이스와 유사한 전기적 특성을 보여줍니다. 게이트 전압이 -20 V 일 때, 게이트 길이가 5 m 이고 너비가 200 m 인 TiSi2 / Cu 게이트 디바이스의 일반적인 게이트 누설 전류는 5.15 × 10-7 mA/mm 로 Ni / Au 게이트 소자보다 1000 배가 적습니다. 제 4 장 AlGaN / GaN MOS-HEMT 를위한 무선 주파수 (RF) - 스퍼터링 된 ZnO 게이트 유전체가 다양한 O2 / Ar 비율로 조사되었습니다. 4.5 %의 낮은 산소 함량으로 증착 된 ZnO 는 스퍼터링 공정 동안 산소 공극의 보상으로 인해 높은 유전 상수 및 낮은 계면 트랩 밀도를 보였습니다. MOS-HEMT 는 기존의 Ni / Au HEMT 와 비교하여 출력 전기 특성은 비슷하지만 게이트 누설 전류는 낮습니다. 게이트 전압이 -20 V 일 때, 게이트 길이가 6 m 이고 너비가 100 m 인 MOS-HEMT 의 일반적인 게이트 누설 전류는 8.2 × 10-7 mA/mm 로 낮았으며 Ni / Au 쇼트 키 게이트 HEMT 보다 1000 배 낮습니다. 제 5 장은 전자빔 증발 (EBE)을 사용하여 성장 된 Si (100) 기판상의 단결정질 베릴륨 산화물 (BeO)의 박막의 성장 특성 및 전기적 특성을 설명합니다. BeO 의 상업적 생존력을 확장하기 위해 EBE 와 열 산화의 조합을 최적화하여 나노 수준의 반도체 장치에서의 사용을 용이하게 했습니다. EBE BeO 박막의 표면은 원자 힘 측정 및 X 선 광전자 분광법을 사용하여 결정된 바와 같이 제한된 양의 천연 산화물 또는 금속 실리케이트로 매끄러운 것으로 판명되었습니다. 또한, 고해상도 투과 전자 현미경으로 필름이 매우 결정 성임을 확인 하였습니다. 6.77 의 유전 상수 및 8.3 MV/cm 의 항복 전압을 포함한 우수한 절연체 특성이 일련의 커패시턴스 - 전압 및 누설 전류 측정으로부터 추론되었습니다. 마지막으로, 6 장에서는 이 논문에서 수행 된 작업을 요약하고 7 가지 이슈와 향후 작업을 제안합니다.
Gallium nitride is anticipated to be a next generation for power and radio-frequency devices. With a higher breakdown strength, faster switching speed, higher thermal conductivity and lower on resistance (Ron), GaN-based power devices can significantly outperform the traditional Si-based power devic...
Gallium nitride is anticipated to be a next generation for power and radio-frequency devices. With a higher breakdown strength, faster switching speed, higher thermal conductivity and lower on resistance (Ron), GaN-based power devices can significantly outperform the traditional Si-based power devices. As such, GaN-based power devices will play a key role in the power conversion market within battery chargers, smartphones, computers, servers, automotive, lighting systems and photovoltaics. In absence of viable low-cost GaN bulk substrates, GaN should be grown on various substrates, the most popular being sapphire, silicon carbide (SiC) and silicon (Si). Among candidates, Si substrates have become attractive for GaN growth because of their larger wafer diameter (200 mm and higher) despite of the large mismatch in lattice constant and coefficient of thermal expansion (CTE), which imposes epitaxy challenges, especially for larger Si substrate sizes. In order to seize market share from silicon, GaN devices should be fabricated by a low-cost, reproducible and reliable production process. The ability to manufacture GaN-on-Si power devices in existing 200 mm Si production facilities offers further cost competitiveness to the Si power technology. This dissertation is aim to solve the problems inhibiting the implementation of Au-free Ohmic/Schottky contact oxide on AlGaN/GaN high-electron-mobility transistor (HEMT) technology. In addition, we study the improvement of device reliability by developing single crystalline gate oxide that reduces current leakage in AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor (MOS)-HEMT. Chapter 1 introduces the superior material properties of gallium nitride which make it strong candidates for a next-generation power/RF devices. The need for Integration Challenges of Si CMOS compatible fabrication on GaN technology will be qualitatively stated. Chapter 2 presents the device processing technology of A complementary metal-oxide semiconductor (CMOS)-compatible Au-free Si/Ti/Al/Cu ohmic metallization scheme has been developed for AlGaN/GaN power transistors epitaxially grown on Si substrates. The Si/Ti/Al/Cu metallization exhibited a low specific contact resistance of 3.5 × 10-6 Ω-cm2 after optimizing the Si interface layer. The ohmic metal surface was smooth with a root-mean-square roughness of 24 nm. Physical characterization confirmed that Cu diffusion into the semiconductor was suppressed because locally segregated TiSix alloys acted as a barrier. Chapter 3 Titanium disilicide/copper (TiSi2/Cu) gate AlGaN/GaN HEMTs with low gate leakage current are demonstrated. The TiSi2/Cu gate devices demonstrate electrical characteristics that are comparable to those of conventional Ni/Au gate devices. At gate voltage of −20 V, typical gate leakage current for a TiSi2/Cu gate device with a gate length of 5 m and width of 200 m is found to be as low as 5.15 × 10−7 mA/mm, which is three orders lower than that of the Ni/Au gate device. Chapter 4 Radio frequency (RF)-sputtered ZnO gate dielectrics for AlGaN/GaN MOS-HEMTs were investigated with varying O2/Ar ratios. The ZnO deposited with a low oxygen content of 4.5% showed a high dielectric constant and low interface trap density due to the compensation of oxygen vacancies during the sputtering process. The MOS-HEMTs demonstrated comparable output electrical characteristics with conventional Ni/Au HEMTs but a lower gate leakage current. At a gate voltage of −20V, the typical gate leakage current for a MOS-HEMT with a gate length of 6 m and width of 100 m was found to be as low as 8.2 × 10−7 mA/mm, which was three orders lower than that of the Ni/Au Schottky gate HEMT. Chapter 5 describes The growth characteristics and electrical properties of thin films of crystalline beryllium oxide (BeO) on Si (100) substrates grown using electron beam evaporation (EBE) are described. To expand the commercial viability of BeO, a combination of EBE with thermal oxidation was optimized to facilitate its use in nanoscale semiconductor devices. The surfaces of the EBE BeO films were found to be smooth with limited quantities of native oxides or metal silicates, as determined using atomic force measurements and X-ray photoelectron spectroscopy, respectively. Moreover, high-resolution transmission electron microscopy revealed that the films were highly crystalline. Excellent insulator properties, including a dielectric constant of 6.77 and a breakdown voltage of 8.3 MV/cm, were deduced from a series of capacitance–voltage and leakage current measurements. Finally, Chapter 6 summarizes the work done in this dissertation and suggest sev-eral issues and future works.
Gallium nitride is anticipated to be a next generation for power and radio-frequency devices. With a higher breakdown strength, faster switching speed, higher thermal conductivity and lower on resistance (Ron), GaN-based power devices can significantly outperform the traditional Si-based power devices. As such, GaN-based power devices will play a key role in the power conversion market within battery chargers, smartphones, computers, servers, automotive, lighting systems and photovoltaics. In absence of viable low-cost GaN bulk substrates, GaN should be grown on various substrates, the most popular being sapphire, silicon carbide (SiC) and silicon (Si). Among candidates, Si substrates have become attractive for GaN growth because of their larger wafer diameter (200 mm and higher) despite of the large mismatch in lattice constant and coefficient of thermal expansion (CTE), which imposes epitaxy challenges, especially for larger Si substrate sizes. In order to seize market share from silicon, GaN devices should be fabricated by a low-cost, reproducible and reliable production process. The ability to manufacture GaN-on-Si power devices in existing 200 mm Si production facilities offers further cost competitiveness to the Si power technology. This dissertation is aim to solve the problems inhibiting the implementation of Au-free Ohmic/Schottky contact oxide on AlGaN/GaN high-electron-mobility transistor (HEMT) technology. In addition, we study the improvement of device reliability by developing single crystalline gate oxide that reduces current leakage in AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor (MOS)-HEMT. Chapter 1 introduces the superior material properties of gallium nitride which make it strong candidates for a next-generation power/RF devices. The need for Integration Challenges of Si CMOS compatible fabrication on GaN technology will be qualitatively stated. Chapter 2 presents the device processing technology of A complementary metal-oxide semiconductor (CMOS)-compatible Au-free Si/Ti/Al/Cu ohmic metallization scheme has been developed for AlGaN/GaN power transistors epitaxially grown on Si substrates. The Si/Ti/Al/Cu metallization exhibited a low specific contact resistance of 3.5 × 10-6 Ω-cm2 after optimizing the Si interface layer. The ohmic metal surface was smooth with a root-mean-square roughness of 24 nm. Physical characterization confirmed that Cu diffusion into the semiconductor was suppressed because locally segregated TiSix alloys acted as a barrier. Chapter 3 Titanium disilicide/copper (TiSi2/Cu) gate AlGaN/GaN HEMTs with low gate leakage current are demonstrated. The TiSi2/Cu gate devices demonstrate electrical characteristics that are comparable to those of conventional Ni/Au gate devices. At gate voltage of −20 V, typical gate leakage current for a TiSi2/Cu gate device with a gate length of 5 m and width of 200 m is found to be as low as 5.15 × 10−7 mA/mm, which is three orders lower than that of the Ni/Au gate device. Chapter 4 Radio frequency (RF)-sputtered ZnO gate dielectrics for AlGaN/GaN MOS-HEMTs were investigated with varying O2/Ar ratios. The ZnO deposited with a low oxygen content of 4.5% showed a high dielectric constant and low interface trap density due to the compensation of oxygen vacancies during the sputtering process. The MOS-HEMTs demonstrated comparable output electrical characteristics with conventional Ni/Au HEMTs but a lower gate leakage current. At a gate voltage of −20V, the typical gate leakage current for a MOS-HEMT with a gate length of 6 m and width of 100 m was found to be as low as 8.2 × 10−7 mA/mm, which was three orders lower than that of the Ni/Au Schottky gate HEMT. Chapter 5 describes The growth characteristics and electrical properties of thin films of crystalline beryllium oxide (BeO) on Si (100) substrates grown using electron beam evaporation (EBE) are described. To expand the commercial viability of BeO, a combination of EBE with thermal oxidation was optimized to facilitate its use in nanoscale semiconductor devices. The surfaces of the EBE BeO films were found to be smooth with limited quantities of native oxides or metal silicates, as determined using atomic force measurements and X-ray photoelectron spectroscopy, respectively. Moreover, high-resolution transmission electron microscopy revealed that the films were highly crystalline. Excellent insulator properties, including a dielectric constant of 6.77 and a breakdown voltage of 8.3 MV/cm, were deduced from a series of capacitance–voltage and leakage current measurements. Finally, Chapter 6 summarizes the work done in this dissertation and suggest sev-eral issues and future works.
주제어
#AlGaN/GaN Heterostructure GaN-on-Si Power device High-Electron-MobilityTransistors Si CMOS compatibility Au free Ohmic/Schottky Electrode Crystalline Oxide ZnO BeO
학위논문 정보
저자
Yoon, Seon No
학위수여기관
연세대학교
학위구분
국내박사
학과
글로벌융합공학
지도교수
오정우
발행연도
2019
총페이지
xvi,138p.
키워드
AlGaN/GaN Heterostructure GaN-on-Si Power device High-Electron-MobilityTransistors Si CMOS compatibility Au free Ohmic/Schottky Electrode Crystalline Oxide ZnO BeO
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.