High-Q-Power-GaN - Development of transistors for high-power electronics on low-defect free-standing gallium nitride substrates
Final Report Abstract
Neuartige Transistoren aus AlGaN/GaN-Heterostrukturen ermöglichen erhebliche Verbesserungen wichtiger Eigenschaften leistungselektronischer Komponenten: beim spezifischen Einschaltwiderstand, bei der Schaltfrequenz und als Folge davon auch bei der Leistungs- und Energieeffizienz. Die in der Entwicklung und Demonstration befindlichen AlGaN/GaN-basierten Leistungstransistoren schöpfen das Potential der GaN-Technologie im Hinblick auf die erreichbare Energieeffizienz insbesondere bei hohen Betriebsfrequenzen jedoch noch nicht aus. Dies liegt hauptsächlich am Kanalwiderstand der AlGaN/GaN-Transistoren, der durch ein polarisationsinduziertes zweidimensionales Elektronengas (2DEG) nahe der AlGaN/GaN-Grenzfläche gebildet wird. Aufgrund der Limitierungen in der strukturellen Qualität der epitaktisch herstellbaren Schichtfolgen auf Fremdsubstraten (Silizium, Siliziumkarbid) ist die maximal erreichbare Elektronen-Flächendichte und die -Mobilität im Kanal bisher auf etwa 8x10^12cm^-2 und 1650 Vs/cm und damit der minimale Flächenwiderstand des Kanals durch 470 Ω/□ beschränkt. Dies hat zur Folge, dass die theoretisch mögliche Ausgangsleistung und Energieeffizienz von AlGaN/GaN-basierten leistungselektronischen Bauelementen und Systemen bisher limitiert ist. An diesen Punkten setzen die Forschungsschwerpunkt und das Arbeitsprogramm zur Realisierung von GaN-basierten Halbleiterstrukturen für besonders energieeffiziente leistungselektronische Bauelemente an. Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, Hochleistungstransistoren für Spannungswandler auf der Basis von AlGaN/GaN-Heterostrukturen auf defektarmen freistehenden GaN- Substraten herzustellen. Hierzu wurden kommerziell verfügbare, semiisolierende 2“-GaN- Substrate für eine nachfolgende Epitaxie von AlGaN/GaN-Heterostrukturen evaluiert und folgenden (beste) Eigenschaften charakterisiert: ein spezifischer Widerstand > 10^9 Ωcm; eine Versetzungsdichte ≤ 5 x 10^6 cm^-2; eine Substratverbiegung < 20 µm; und eine Oberflächenrauigkeit < 1 nm. Für eine erfolgreiche Prozessierung der GaN-basierten Leistungstransistoren wurde mit Hilfe einer Kohlenstoffdotierung eine elektrisch hoch isolierende GaN-Zwischenschicht auf das GaN-Substrat epitaxiert. Bereits die ersten Versuche zeigten, dass mit Kohlenstoffdotierungen von 4*10^19 bis 8*10^19 cm^-3 eine sehr gute Isolation erreicht wird. Bei einem Kontaktabstand von 15 µm betrug die vertikale Durchbruchspannung 600 V, was einer elektrischen Feldstärke von 40 MV/m entspricht. Die laterale Durchbruchspannung war mit 1000 V bei einem Kontaktabstand von 4 µm noch höher und entsprach einer Feldstärke von 250 MV/m. Der Kanal eines GaN-basierten Leistungstransistors wurde durch ein polarisationsinduziertes, zweidimensionales Elektronengas (2DEG) an der Grenzfläche zwischen einer AlGaN-Barriere und der GaN-Zwischenschicht gebildet. Die elektrischen Eigenschaften des 2DEGs wurden mit Hilfe von Hallund CV-Messung ermittelt. Die Elektronenflächendichte und ihre Mobilität wurden zu 9*10^12 cm^-2 und 1850 cm2/Vs bestimmt, was zu niedrigen Kanalwiderständen von 375 Ω/□ führt. Die guten elektrischen Eigenschaften der prozessierten Transistoren motivierte das Design und die Prozessierung eines Leistungsbarrens mit einer großen Gateweite von 38,4 mm Die Realisierung des Leistungsbarrens umfasste 10 Maskenebenen für die Vorder- und Rückseiten-Prozessierung und Rückseitenvias für die Source-Kontakt, um eine vorteilhafte Mikrostreifengeometrie erstellen zu können. Nach der Prozessierung wurden der Leistungsbarren mit Hilfe eines AuSn-Lots in einem Hochfrequenz-Gehäuse eingefügt sowie thermisch optimiert und extrem niederinduktiv ausgelegt. Auf diese Weise wurde eine hohe Leistungseffizienz von 70% und eine große Ausgangsleistung von 275 W bei einer Betriebsspannung von 50 V erreicht.
Publications
- Full W-Band GaN Power Amplifier MMICs Using a Novel Type of Broadband Radial Stub (2018). IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 66, pp. 5664-5675
M. Ćwikliński, C. Friesicke, P. Brückner, D. Schwantuschke, S. Wagner, R. Lozar, H. Massler, R. Quay, O. Ambacher
(See online at https://doi.org/10.1109/TMTT.2018.2878725) - High-Power Asymmetrical Three-Way GaN Doherty Power Amplifier at C-Band Frequencies (2018), 2018 48th European Microwave Conference (EuMC), Madrid, pp. 1233-1236
E. Derguti, E. Ture, S. Krause, D. Schwantuschke, R. Quay, O. Ambacher
(See online at https://doi.org/10.23919/EuMC.2018.8541756) - 190-GHz G-band GaN amplifier MMICs with 40GHz of bandwidth (2019), IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig, 1257-1260
M. Cwiklinski, P. Brückner, S. Leone, C. Friesicke, R. Lozar, H. Maßler, R. Quay, O. Ambacher
(See online at https://doi.org/10.1109/MWSYM.2019.8700762) - A GaN-on-Si-Based Logic, Driver and DC-DC Converter Circuit with Closed-Loop Peak Current-Mode Control (2019), PCIM Europe 2019, pp. 1-6
M. Basler, S. Moench, R. Reiner, P. Waltereit, R.Quay, I. Kallfass, O. Ambacher
- AlGaN/GaN High Electron-mobility Varactors on Silicon Substrate (2019) 12th German Microwave Conference (GeMiC), pp. 244-247
R. Amirpour, D. Schwantuschke, P. Brueckner, R. Quay, O. Ambacher
(See online at https://doi.org/10.23919/GEMIC.2019.8698186) - D-Band and G-Band High-Performance GaN Power Amplifier MMICs (2019), IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 67 (12), pp. 5080-5089
M. Ćwikliński, P. Brückner, S. Leone, C. Friesicke, H. Maßler, R. Lozar, S. Wagner, R. Quay, O. Ambacher
(See online at https://doi.org/10.1109/TMTT.2019.2936558) - Epitaxial growth optimization of AlGaN/GaN high electron mobility transistor structures on 3C-SiC/Si (2019), Journal of Applied Physics 125 (23), 235701
Stefano Leone, Fouad Benkhelifa, Lutz Kirste, Christian Manz, Ruediger Quay, Oliver Ambacher,
(See online at https://doi.org/10.1063/1.5092653) - Influence of substrate holder configurations on bias enhanced nucleation area for diamond heteroepitaxy: Toward wafer-scale single-crystalline diamond synthesis (2019), Journal of Vacuum Science & Technology
T. Yoshikawa, D. Herrling, F. Meyer, F. Burmeister, C. Nebel, O. Ambacher, V. Lebedev
(See online at https://doi.org/10.1116/1.5086020) - Large-Signal Modeling of a Scalable High-Q AlGaN/GaN High Electron-Mobility Varactor (2019), IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, pp. 922- 927
R. Amirpour, D. Schwantuschke, F. van Raay, P. Brueckner, R. Quay, O. Ambacher
(See online at https://doi.org/10.1109/TMTT.2018.2890472) - Optimization of Metal-Organic Chemical Vapor Deposition Regrown n-GaN (2019) physica status solidi (b)
S. Leone, P. Brueckner, L. Kirste, P. Doering, T. Fuchs, S. Mueller, M. Prescher, R. Quay, O. Ambacher
(See online at https://doi.org/10.1002/pssb.201900436) - W-Band LNA MMICs Based on a Noise- Optimized 50-nm Gate-Length Metamorphic HEMT Technology (2019), Proceedings of the 2019 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS)
F. Thome, A. Leuther, F. Heinz, O. Ambacher
(See online at https://doi.org/10.1109/MWSYM.2019.8700792)
