AlGaN/GaN heterostructures for enhancement mode transistors
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.
GaN,AlGaN/GaN heterostructures,HEMT,2DEG, p-GaN contacts
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