Improvement in performance and reliability of gallium nitride based high electron mobility transistor (HEMT)
Galyum nitrür tabanli yüksek elektron hareketliliğine sahip transistörün (HEMT) performans ve güvenilirliğinde iyileştirme.
- Tez No: 1018068
- Danışmanlar: PROF. DR. EKMEL ÖZBAY, PROF. DR. CEYHUN BULUTAY, PROF. DR. ALİ BOZBEY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Science and Technology, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Disiplinlerarası İleri Malzemeler ve Nanoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yüksek güçlü ve yüksek frekanslı elektronik sistemler, yüksek gerilim, yüksek akım yoğunluğu ve yüksek sıcaklık altında uzun süreli kararlı davranışı koruyarak çalışabilen transistör teknolojilerine ihtiyaç duymaktadır. GaN tabanlı yüksek elektron hareketlilikli transistörler, geniş bant aralığı, yüksek kritik elektrik alanı, yüksek elektron doyum hızı ve AlGaN/GaN malzeme sisteminde oluşan polarizasyon kaynaklı iki boyutlu elektron gazı nedeniyle bu uygulamalar için güçlü adaylardır. Ancak, GaN HEMT'lerin pratik performansı yalnızca kanal tarafından belirlenmez. Epitaksiyel kalite, istenmeyen safsızlıklar, tampon tasarımı, elektrik alan dağılımı, yüzey pasivasyonu, kontak oluşumu ve kapı bölgesi kararlılığı tarafından güçlü şekilde etkilenir. Bu çalışma, AlGaN/GaN HEMT'leri malzeme, fabrikasyon, RF performansı, kırılma ve güvenilirlik bakış açılarından incelemektedir. Öncelikle, GaN malzeme özellikleri, polarizasyon tabanlı 2DEG oluşumu, epitaksiyel yapı ve GaN-on-SiC fabrikasyon süreci üzerinden aygıt altyapısı oluşturulmuştur. Daha sonra, epitaksideki istenmeyen donor safsızlıkların etkisi SIMS, DC, RF ve TCAD analizleri kullanılarak araştırılmıştır. Yüksek donorlu aygıtlar, düşük donorlu aygıtlara göre yaklaşık 13% daha yüksek doyum drain akımı, 18% daha yüksek RF çıkış gücü ve PAE değerinde 63.8%'den 72%'ye bir artış göstermektedir. Buna karşılık, düşük donorlu aygıtlar yaklaşık 2 dB daha yüksek transdüser kazancı, daha düşük tampon sızıntısı ve daha iyi yüksek frekans kazanç davranışı göstermektedir. Bu durum, esas olarak Rds, Cgs ve Cds gibi küçük-sinyal parametrelerinde donor kaynaklı değişimlerden oluşan belirgin bir RF ödünleşimini ortaya koymaktadır. Daha sonra, elektron sınırlanmasını ve elektrik alan dağılımını iyileştirmek amacıyla arka bariyer mühendisliği uygulanmış HEMT'ler incelenmiştir. Arka bariyer yapısı, RF performansını neredeyse değiştirmeden korurken, kırılma gerilimini yaklaşık 80 V'den 105 V'ye çıkarmakta ve HTRB stresi altındaki arızaya kadar geçen süreyi iki kat iyileştirmektedir. Bir sonraki kısımda, geleneksel kalın Fe katkılı tampon tasarımlarına alternatif olarak ultra-hapsedilmiş, tamponsuz bir GaN-on-SiC HEMT yapısı geliştirilmiştir. Ultra-hapsedilmiş aygıt yaklaşık 5% daha yüksek doyum drain akımı, yaklaşık 15% daha yüksek tepe transkonduktansı ve 5.62 W/mm'den 6.25 W/mm'ye yükselen daha yüksek RF çıkış gücü göstermektedir. Ayrıca, kapalı durum drain sızıntısını yaklaşık bir mertebe azaltmakta, ortalama kırılma gerilimini yaklaşık 78% iyileştirmekte ve uygulanan HTRB stres koşulu altında yanan aygıt olmamaktadır. Son olarak, HTRB çalışması altında kapı bozulması elektriksel ölçümler, UV destekli testler, TEM, EDX ve TCAD simülasyonları kullanılarak analiz edilmiştir. Darbe iyonizasyonu ve kapı altında bulunan ince oksit benzeri ara tabaka, kapı sızıntısındaki artışın başlıca nedenleri olarak belirlenmiştir. Değiştirilmiş bir tampon tasarımı, uzun süreli stres sonrasında ortalama kapı sızıntı akımını yaklaşık 90% azaltmaktadır. Genel olarak, bu sonuçlar GaN HEMT performansı ve güvenilirliğinin; epitaksiyel safsızlıklar, tampon tasarımı, dikey sınırlama, elektrik alan dağılımı ve kapı bölgesi bozulması birlikte ele alındığında en etkili şekilde iyileştirilebileceğini göstermektedir. Bu tez, hem pratik aygıt iyileştirme yolları hem de gözlenen RF, kırılma, sızıntı ve güvenilirlik iyileştirmelerinin kökenlerine dair daha açık bir fiziksel açıklama sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
High power and high frequency electronic systems require transistor technolo gies that can operate at high voltage, high current density, and elevated tem perature while maintaining stable long-term behavior. GaN-based high electron mobility transistors are strong candidates for these applications because of their wide bandgap, high critical electric field, high electron saturation velocity, and polarization-induced two dimensional electron gas in the AlGaN/GaN material system. However, the practical performance of GaN HEMTs is not determined only by the channel. It is strongly affected by epitaxial quality, unintentional impurities, buffer design, electric field distribution, surface passivation, contact formation, and gate region stability. This work studies AlGaN/GaN HEMTs from thematerial, fabrication, RF per formance, breakdown, and reliability points of view. The device background is first established through GaN material properties, polarization-based 2DEG for mation, epitaxial structure, and GaN-on-SiC fabrication process. Then, the effect of unintentional donor impurities in the epitaxy is investigated using SIMS, DC, RF, and TCAD analysis. High donor devices show about 13% higher saturated drain current, 18% higher RF output power, and an increase in PAE from 63.8% to 72% compared with low donor devices. However, low donor devices show about 2 dB higher transducer gain, lower buffer leakage, and better high frequency gain behavior. This reveals a clear RF trade-off caused by donor-induced changes in the intrinsic device parameters, mainly Rds, Cgs, and Cds. Back barrier engineered HEMTs are then studied to improve electron con finement and electric field distribution. The back barrier structure increases breakdown voltage from about 80 V to 105 V and improves time-to-failure un der HTRB stress by twice, while keeping RF performance nearly unchanged. In the next part, an ultra-confined buffer-free GaN-on-SiC HEMT structure is de veloped as an alternative to conventional thick Fe-doped buffer designs. The ultra-confined device shows about 5% higher saturated drain current, nearly 15% higher peak transconductance, and higher RF output power, increasing from 5.62 W/mm to 6.25 W/mm. It also reduces off-state drain leakage by nearly one order of magnitude, improves the average breakdown voltage by about 78%, and shows no burned devices during the applied HTRB stress condition. Finally, gate degradation under HTRB operation is analyzed using electrical measurements, UV-assisted tests, TEM, EDX, and TCAD simulations. Impact ionization and a thin oxide-like interlayer below the gate are identified as major contributors to gate leakage increase. A modified buffer design reduces the average gate leakage current by about 90% after long term stress. Overall, these results show that GaN HEMT performance and reliability can be improved most effectively when epitaxial impurities, buffer design, vertical confinement, electric field distribution, and gate region degradation are treated together. The thesis provides both prac tical device improvement routes and a clearer physical explanation of the origins behind the observed RF, breakdown, leakage, and reliability improvements.
Benzer Tezler
- Computational analyses of die-embedded microchannels for high electron mobility transistors considering thermal, hydrodynamic and structural behavior
Yüksek elektron mobiliteli transistorlara uygulanmış gömülü mikrokanal yapılarının ısıl, hidrodinamik ve yapısal davranışlarının hesaplamalı analizleri
ORÇUN YILDIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
- Conceptual power conversion architecture for unmanned aerial vehicles utilizing BLDC motor as both starter and generator
BLDC motorun hem marş motoru hem de jeneratör olarak kullanıldığı insansız hava araçları için kavramsal güç dönüşüm mimarisi
EMEL TİMURKAYNAK SOLAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Reliability measurements and analysis of gallium nitride on silicon carbide high electron mobility transistors (gan-on-sic hemts)
Silisyum karbür üzerinde galyum nitrat yüksek elektron hareketliliğine sahip transistörlerin (gan-on-sic hemt) güvenilirlik ölçümleri ve analizi
MAHMUT CAN SOYDAN
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKMEL ÖZBAY
- Gan güç transistörlerinin anahtar kayıplarının nöral ağ tabanlı modellenmesi
Neural network based modeling of switching losses in gan power transistors
ALİİMZA DAŞDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- Design and optimization of a high-power density multi-level totem pole power factor correction converter
Yüksek güç yoğunluklu çok seviyeli totem pole güç faktörü düzeltme dönüştürücüsünün tasarımı ve optimizasyonu
ENİS BARIŞ BULUT
Doktora
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA AHMET KOCABAŞ
DR. SERKAN DÜŞMEZ