New concepts for normally-off power gallium nitride (GaN) high electron mobility transistor (HEMT)

• Auteur / Autrice : Saleem Hamady
• Direction : Frédéric Morancho, Bilal Beydoun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Composants et systèmes de gestion de l'énergie
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Université libanaise

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure de gallium

Transistors à effet de champ à dopage modulé

Transistors de puissance

Mots clés libres

Interrupteurs de puissance

Normally-off

Nitrure de Gallium (GaN)

Hemt

Résumé

Les transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) en AlGaN/GaN sont des candidats très prometteurs pour les applications haute fréquence, forte puissance et faible bruit. Alors que les applications de puissance exigent des interrupteurs normally-off, les HEMTs conventionnels sont, eux, normally-on, leur canal (gaz bidimensionnel d'électrons 2DEG) étant peuplé d'électrons pour une tension de grille nulle. Plusieurs structures de HEMTs ont été récemment proposées afin de satisfaire à la fonctionnalité normally-off : les plus notables sont celles à grille enterrée ("recessed gate"), à traitement aux ions fluor, à grille de jonction pn, à fine barrière d'AlGaN et à injection de grille ("Gate Injection Transistor"). L'efficacité de l' " agent " utilisé pour obtenir la fonctionnalité "normally-off", que ce soit une grille enterrée, une couche barrière ou du fluor implanté, augmente lorsque cet agent se rapproche de l'interface AlGaN/GaN. Malheureusement, introduire une couche barrière ou enterrer une grille proche de cette interface implique une diminution de la hauteur de barrière, ce qui affecte fortement la densité du gaz 2DEG. Dans le cas d'une implantation de fluor, se rapprocher de l'interface augmente la probabilité que des ions de fluor pénètrent dans le canal et dégradent ainsi la mobilité du 2DEG. Dans ce travail nous proposons deux nouveaux concepts pour réaliser la fonctionnalité normally-off. Nous suggérons l'introduction d'ions fluor négatifs d'une part ou d'une région P-GaN d'autre part, sous le canal et sous l'interface AlGaN/GaN, loin des régions à forte densité de courant. Après étalonnage du simulateur, à partir de résultats expérimentaux d'un dispositif HEMT conventionnel normally-on, nous avons montré que les structures proposées étaient plus efficaces : la concentration requise pour réaliser la fonctionnalité normally-off est plus faible que dans les solutions existantes et le confinement du gaz 2D d'électrons sous la grille est meilleur. Les idées proposées ont été aussi appliquées au Métal-Isolant-Semiconducteur HEMT (MIS-HEMT) et au Gate Injection Transistor (GIT), mettant en évidence la possibilité d'obtenir des HEMTs normally-off avec des tensions de seuil élevées.

AlGaN/GaN HEMTs are very promising candidates for high frequency applications with high power and low noise. While switching applications strongly demand normally-off operation, conventional HEMTs attain a channel populated with electrons at zero gate voltage making them normally-on. For the sake of achieving normally-off HEMTs, several structures have been proposed such as recessed gate structures, fluorine ion treatment, pn junction gate structures, thin AlGaN barrier and Gate Injection transistor. The effectiveness of the agent used to obtain normally-off, whether it is recessing the gate, introducing a cap layer or implanting fluorine, increases as the agent comes closer to the AlGaN/GaN interface. Unfortunately, when introducing a cap layer or recessing the gate, coming closer to the interface means decreasing the barrier thickness, which strongly affects the density of the 2DEG. In the case of fluorine implantation, getting closer will increase the probability of fluorine ions getting into the channel and hence degrade the mobility of the 2DEG. In this work we propose two new concepts to achieve normally-off operation. We suggest the introduction of negative fluorine ions on one hand or a p-GaN region on the other hand, below the channel, under the AlGaN/GaN interface and away from high current density regions. After calibrating the simulator using experimental results from a normally-on HEMT device, we have shown that our proposed structures are more effective: the concentration required to achieve normally-off operation is lower than in the other existing solutions and the confinement of the two dimensional electron gas below the gate is better. The proposed ideas were also applied to Metal Insulator Semiconductor HEMT (MIS-HEMT) and Gate Injection Transistor (GIT), giving rise to a normally-off HEMT with high controllable threshold voltage.