AlGaN/GaN heterostructures for enhancement mode transistors

Today the continuous increase of electric power demand is in our society a global concern. Hence, the reduction of the energy consumption has become the main task of modern power electronics. In this context, wide band semiconductors (WBG), such as gallium nitride (GaN) and related alloys, have outstanding physical properties that can enable to overcome the limitations of Silicon, in terms of operating power, frequency and temperature of the devices. An interesting aspects related to GaN materials is the possibility to grow AlGaN/GaN heterostructures, in which a two dimensional electron gas (2DEG) is formed at the heterojunction. Basing on the presence of the 2DEG, AlGaN/GaN heterostructures are particularly interesting for the fabrication of high electron mobility transistors (HEMTs). One of the most challenging aspects on this field is the development of enhancement mode AlGan/GaN HEMT. This devices would offer a simplified circuitry, in combination with favourable operating conditions for device safety. Hence, this thesis is entitled AlGaN/GaN heterostructures for enhancement mode transistors . The aim of this work was to clarify the mechanisms ruling the electronic transport at some relevant interfaces in AlGaN/GaN devices, after surface modification processes used in normally-off technologies. The thesis is divided in 6 chapters. In the first two chapters, the properties of GaN and related AlGaN alloys are described, explaining the formation of the 2DEG and the working principle of HEMT devices. In chapter 3, a nanoscale characterization of modified AlGaN surfaces is presented in order to deplete the 2DEG. Two different approaches have been studied, i.e., the use of a fluorine plasma treatment and the use of a local oxidation process. Even though a depletion of the 2DEG is possible, several reliability concerns need to be investigated before a practical application to devices can be envisaged. Among the possible approaches for enhancement mode transistors using AlGaN/GaN heterostructures, the use of a p-GaN gate contact seems to be the most interesting one. Hence, chapter 4 reports a detailed investigation on the formation of Ohmic contact to p-GaN. The evolution of a Au/Ni bilayer, annealed at different temperatures and in two different atmospheres (Ar or N2/O2) was considered. The electrical measurements of the contacts annealed under different conditions demonstrated a reduction of the specific contact resistance in oxidizing atmosphere. Structural characterizations of the metal layer associated with nanoscale electrical measurements, allowed to give a possible scenario on the Ohmic contact formation mechanisms. Finally, the temperature dependence of the specific contact resistance allowed the extraction of the metal/p-GaN barrier. The fabrication and characterization of AlGaN/GaN transistors with the use of a p-GaN cap layer under the gate contact is presented in chapter 5. The electrical characterization of p-GaN/AlGaN/GaN transistors demonstrated a significant positive shift of the threshold voltage (Vth) with respect to devices without p-GaN gate. A normally-off behaviour of the devices (Vth= +1.4 V) was obtained upon a reduction of the barrier layer thickness and Al concentration. Finally, a preliminary study on the use of nickel oxide (NiO) as a dielectric below the Schottky gate contact in AlGaN/GaN heterostructures is reported in the last chapter. First, a structural and morphological investigation of the NiO layers grown by MOCVD showed continuous epitaxial film. The electrical measurements on devices allowed to extract a value of the dielectric constant for the grown NiO very close to the theoretical one, and a reduction of the leakage current in HEMT structures integrating such a dielectric. The experimental results of this thesis are summarized in the conclusive section, that also briefly describes the remaining open issues and the possible continuation of this research activity.

Oggigiorno il continuo aumento della domanda di energia elettrica è divenuto un problema globale. Infatti la riduzione del consumo di energia è diventato il compito principale della moderna elettronica di potenza. In questo contesto, i semiconduttori a larga banda, come il nitruro di gallio (GaN) e le relative leghe, hanno mostrato eccellenti proprietà fisiche. Un aspetto interessante legato al GaN è la possibilità di crescere eterostrutture AlGaN/GaN, in cui si forma un gas bidimensionale di elettroni (2DEG). Basandosi sulla presenza del 2DEG, le eterostrutture AlGaN/GaN sono particolarmente interessanti per la realizzazione di transistori ad elevata mobilità di elettroni (HEMT). Inoltre, dispositivi AlGaN/GaN HEMT che lavorino in modalità di arricchimento. offrirebbero una circuiteria semplificata, in combinazione con condizioni operative favorevoli per la sicurezza del dispositivo. Titolo di questa tesi è infatti "Eterostrutture AlGaN/GaN per transistori che lavorino in modalità di arricchimento". Lo scopo di questo lavoro è stato quello di chiarire i meccanismi che regolano il trasporto elettronico in alcune rilevanti interfacce, in dispositivi AlGaN/GaN, dopo la modifica della loro superficie dovuta a processi utilizzati per ottenere dispositivi normalmente off. La tesi è divisa in 6 capitoli. Nei primi due capitoli sono descritte, le proprietà del GaN e delle relative leghe AlGaN, e sono state spiegate la formazione del 2DEG e il principio di funzionamento dei dispositivi HEMT. Nel capitolo 3, è presentata una caratterizzazione su scala nanometrica di superfici AlGaN modificate al fine di esplorare possibili modi per ridurre il 2DEG. In particolare due diversi specifici approcci sono stati studiati, ovvero l uso di un trattamento in plasma a base di fluoro e l'uso di un processo di ossidazione locale. Anche se si è assistito a uno svuotamento del 2DEG grazie all utilizzo di questi approcci, diversi problemi di affidabilità sono stati riscontrati affinché queste tecniche possano essere applicate per una pratica fabbricazione di dispositivi. Tra i possibili approcci per i transistor normalmente off, fabbricati con eterostrutture AlGaN/GaN, il più interessante consiste nell'uso di un contatto di gate realizzato in p-GaN. Il capitolo 4 riporta uno studio dettagliato sulla formazione di contatti ohmici sul p-GaN,. E stata considerata l'evoluzione di un bilayer di Au/Ni, trattato termicamente a diverse temperature e in due differenti atmosfere. Le misure elettriche hanno dimostrato una riduzione della resistenza specifica di contatto nel caso dei contatti trattati termicamente in atmosfera ossidante. Infine, la dipendenza dalla temperatura della resistenza specifica di contatto è stata studiata nei due casi, permettendo così l'estrazione della barriera metallo/p-GaN. La fabbricazione e la caratterizzazione di transistori AlGaN/GaN con l'uso di p-GaN sotto il contatto di gate è presentato nel capitolo 5. La caratterizzazione elettrica di transistori p-GaN/AlGaN/GaN ha dimostrato un significativo spostamento della tensione di soglia (Vth) verso valori positivi, rispetto ai dispositivi senza p-GaN. Dispositivi con un comportamento normalmente off (Vth = +1,4 V) sono stati ottenuti da una riduzione dello spessore dello strato di AlGaN e della concentrazione di Al. Infine, uno studio preliminare sull'uso di ossido di nichel (NiO) in eterostrutture AlGaN/GaN, utilizzato come dielettrico sotto il contatto Schottky, è riportato nell ultimo capitolo. Misure elettriche dei dispositivi hanno consentito di estrarre un valore della costante dielettrica dell NiO cresciuto, molto vicina rispetto a quella teorica, e una riduzione della corrente di leakage nelle strutture HEMT dove era integrato tale dielettrico. I risultati sperimentali di questa tesi sono riassunti nella sezione conclusiva, che rappresenta anche una breve descrizione delle questioni ancora aperte e la possibile continuazione di questa attività di ricerca.