Design and fabrication of normally-off vertical GaN power FinFET

Abstract

Abstract: The tremendous demands for high-performance systems driven by economic constraints forced the semiconductor industry to considerably scale the device's dimensions to compensate for the relatively modest Silicon physical properties. Those limitations pave the way for III-V semiconductors, which are excellent alternatives to Silicon and can be declined in many compositions. For example, Gallium Nitride (GaN) has been considered a fabulous competitor to facilitate the semiconductor industry's horizon beyond the performance limitations of Silicon due to its high mobility, wide bandgap, and high thermal conductivity properties for T>300K (Bulk GaN). It promises to trim the losses in power conversion circuits and drive a 10 % reduction in power consumption. Both lateral and vertical structures have been considered for GaN power devices. The AlGaN/GaN HEMT device's immense potential comes from the high density, high mobility electron gas formed at its heterojunction. The device is vulnerable to reliability issues resulting from the frequent exposure to high electric field collapse, temperature, and stress conditions, thus limiting its performance and reliability. Contrariwise, the vertical GaN power devices have attracted much attention because of the potential to reach high voltage and current levels without enlarging the chip's size. Furthermore, such vertical devices show superior thermal performance to their lateral counterparts. Meanwhile, Vertical GaN devices have the challenges of high leakage current and the breakdown occurring at the corners of the channel. Another challenge associated with Normally off devices is the lack of an optimized method for eliminating the magnesium diffusion from the p-GaN layer. This thesis has two strategic objectives; Firstly, a Normally-OFF GaN Power FinFET has been designed and optimized to overcome the vertical GaN FinFET challenges. It was done by optimizing the performance parameters such as threshold voltage VTH, high breakdown VBR, and the specific ON-state-resistance RON. Accordingly, the impact of both structural and physical parameters should be incorporated to have an exact optimization process. Afterward, the identification and optimization of a low-cost and high-quality fabrication process for the proposed structure underlined this thesis as the second objective.

Les énormes demandes de systèmes à hautes performances motivées par des contraintes économiques ont forcé l'industrie des semi-conducteurs à réduire considérablement les dimensions des dispositifs pour compenser les propriétés physiques relativement modestes du silicium. Ces limitations ouvrent la voie aux semi-conducteurs III-V, qui sont d'excellentes alternatives au silicium et peuvent être déclinés dans de nombreuses compositions. Par exemple, le nitrure de gallium (GaN) a été considéré comme un concurrent fabuleux pour faciliter l'horizon de l'industrie des semi-conducteurs au-delà des limitations de performances du silicium en raison de sa grande mobilité, de sa large bande interdite et de ses propriétés de conductivité thermique élevées pour T>300K (Bulk GaN). Il promet de réduire les pertes dans les circuits de conversion de puissance et de réduire de 10 % la consommation d'énergie. À l'heure actuelle, les structures latérales et verticales ont été considérées pour les dispositifs de puissance en GaN. L'immense potentiel du dispositif HEMT AlGaN/GaN provient du gaz d'électrons à haute densité et à haute mobilité formé au niveau de son hétérojonction. Le dispositif est vulnérable aux problèmes de fiabilité résultant de l'exposition fréquente à des conditions d'effondrement de champ électrique, de température et de contrainte élevés, limitant ainsi ses performances et sa fiabilité. En revanche, les dispositifs de puissance verticaux en GaN ont attiré beaucoup d'attention en raison de leur capacité à atteindre des niveaux de tension et de courant élevés sans augmenter la taille de la puce. De plus, ces dispositifs verticaux présentent des performances thermiques supérieures à leurs homologues latéraux. Par ailleurs, les dispositifs GaN verticaux sont confrontés aux défis d'un courant de fuite élevée et de claquage se produisant aux coins du canal. Un autre défi associé aux dispositifs normalement bloqués est l'absence d'une méthode optimisée pour éliminer la diffusion de magnésium de la couche p-GaN. Cette thèse a deux objectifs stratégiques ; premièrement, un dispositif de puissance FinFET GaN normalement bloqué a été conçu et optimisé pour surmonter les défis du FinFET vertical en GaN. Cela a été fait en optimisant les paramètres de performance tels que la tension de seuil VTH, la tension de claquage VBR et la résistance spécifique à l'état passant RON. En conséquence, l'impact des paramètres structurels et physiques doit être incorporé pour avoir un processus d'optimisation précis. Par la suite, l'identification et l'optimisation d'un processus de fabrication à faible coût et de haute qualité pour la structure proposée à souligner cette thèse comme deuxième objectif.