Yüksek güç elektroniği uygulamaları için GaN tabanlı FinFET yapısının optimizasyonu

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2022

Tezin Dili: Türkçe

Öğrenci: Doğan YILMAZ

Danışman: Şemsettin Altındal

Özet:

Bu çalışmada, GaN tabanlı yüksek elektron mobiliteli transistörünün (HEMT) bir çeşidi olan FinFET aygıt üretimi ve elektriksel performansı araştırılmıştır. Bu yeni transistör türünde, elektriksel iletimi sağlayan aktif bölge nanometre boyutlarda bir çok kanala bölünmektedir. Böylece kanallar üç yüzeyden kapı tarafından kontrol edilebilmektedir. Artan kapı kontrolünün aygıt performasına etkisi, geleneksel HEMT aygıtları ile karşılaştırılarak incelenmiştir. İlk olarak, kanat (Fin) genişliği ve Alüminyum Oksit (Al2O3) kalınlığının etkileri, 0,125 mm tek kapılı temel aygıtlarda araştırılmıştır. Bu tezde aynı zamanda, geleneksel ve üç kapılı AlGaN/GaN cihazların, optimize edilmiş kanat genişliği ve Al2O3 kalınlığı ile tüm üretimi yapılmıştır. DC ve RF ölçümleri, toplam kapı uzunluğu 2,5 mm olan 10 parmaklı güç transistörleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Fin yapısının ve Al2O3 kalınlığının; eşik voltaj (Vth) kayması, geçiş iletkenlik (gm) doğrusallığı, küçük sinyal kazancı, çıkış gücü (Pout) ve güç ekli verimliliği (PAE) dahil olmak üzere HEMT'lerin elektrik performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlarda, FinFET konfigürasyonu Vth= 0,2 V ile normal olarak kapalı işlevsellik uygularken, geleneksel mimaride Vth= -3,7 V elde edilmiştir. Alümina tabakasının pasifleştirme özelliğinden yararlanılan FinFET tasarımı, geleneksel duruma kıyasla iki derece daha düşük akaç ve kapı kaçak akım performansı sergilemiştir. Ayrıca, büyük sinyal RF ölçümlerinde, FinFET'lerde yan duvar kapılarının, düşük termal dirence atfedilen, ek yanal ısı yayılımından dolayı, geleneksel cihaza kıyasla %50'den fazla geliştirilmiş bir Pout yoğunluğunu elde edilmiştir. Üstün DC ve RF performansı sayesinde, ultra ince geçit dielektrikli önerilen FinFET tasarımı, kapı uzunluğunun daha fazla ölçeklendirilmesiyle mikrodalga güç uygulamaları için daha yüksek frekanslarda çalışma potansiyeli taşımaktadır.

Anahtar Kelimeler : AlGaN/GaN Geliştirme modu (E-modu); FinFET, Kapı dielektrik;

Al2O3 MOS, Vth kayması, DC ve RF performansı