AlGa(In)N/GaN yüksek elektron mobiliteli transistörlerde iki boyutlu elektron gazına ait sıcak elektron dinamiğinin incelenmesi.

Abstract

Bu çalışmada Al(In)GaN/Ga(In)N HEMT yapıların sıcak elektron dinamiği deneysel ve teorik olarak çalışıldı. Deneysel kısımda ilk olarak örnekler metal organik kimyasal buhar depozisyonu (MOCVD) yöntemi ile safir alt taş (B556 ve B1033) ve 6H-SiC alt taş (B1682) üzerine büyütüldü. Sıcaklığa bağlı Hall etkisi ölçümleri ve yüksek hızlı akım-voltaj (I-V) ölçümleri sıcak elektron dinamiğini çalışmak için kullanıldı. Bu çalışmanın teorik kısmı, yüksek alanlarda dengede olmayan boyuna optiksel fononların varlığını hesaba alan sürüklenmeyen fonon modelini içermektedir. İlk olarak, safir ve 6H-SiC alt taş üzerine büyütülen yüksek elektron mobiliteli AlGaN/AlN/GaN yapının sıcak elektron dinamiği incelendi. Hall etkisi ölçümleri ve yüksek hızlı I-V ölçümlerinden sürüklenme hızları çıkarıldı. Uygulanan elektrik alanın fonksiyonu olarak elektron sıcaklığını ve elektron sıcaklığının fonksiyonu olarak güç kaybını elde etmek için güç denge eşitlikleri ile mobilite karşılaştırma metodu kullanıldı. Deneysel güç kaybı sonuçları yüksek alanlarda sıcak fonon oluşumu varsayımına dayalı teorik hesaplamalar ile karşılaştırıldı. Analizlerinden yüksek alanlarda safir ve 6H-SiC alt taşlar üzerine büyütülen numuneler için sırasıyla boyuna optiksel fonon ömürleri 0.50 ps ve 0.32 ps ve etkin enerji durulma zamanları 24 fs ve 65 fs olarak bulundu. Daha sonra 10K'den 300K'e değişen örgü sıcaklıklarında safir üzerine büyütülen yüksek tabaka elektron yoğunluklu AlInN/AlN/GaN HEMT yapının sıcak elektron dinamiği incelendi. Farklı örgü sıcaklıkları için deneysel güç kaybı sonuçları yüksek alanlarda sıcak fonon oluşumu varsayımına dayalı teorik hesaplamalar ile karşılaştırıldı. Örgü sıcaklığının sıcak fonon ömürlerine ve etkin enerji durulma zamanlarına etkisi incelendi. Sonuç olarak bu çalışmada, 6H-SiC alt taş üzerine büyütülen AlGaN/GaN HEMT yapıların performansının, safir üzerine büyütülen AlGaN/GaN HEMT yapılara göre daha yüksek olabileceği neticesine varıldı. AlInN/AlN/GaN HEMT yapıda da iletim performansı için, örgü sıcaklığının önemli bir parametre olduğunu ortaya konuldu.

In this work, hot electron dynamics of Al(In)GaN/Ga(In)N HEMT structures were studied both experimentally and theoretically. In the experimental part, the samples were firstly grown by Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) on sapphire substrate (B556 and B1033) and 6H-SiC substrate (B1682). The temperature dependent Hall effect measurements and high speed current?voltage (I-V) measurements were used to obtain the hot-electron transport. The theoretical part of the study includes non-drifting phonon models which account presence of non-equilibrium longitudinal optical (LO) phonons at high fields. The hot electron dynamics of high electron mobility AlGaN/AlN/GaN structure grown on sapphire and 6H-SiC substrate were investigated. Drift velocities were deduced from Hall effect measurements and high speed current-voltage (I-V) measurements. To obtain the electron temperature as a function of the applied electric field and power loss as a function of the electron temperature, the mobility comparison method with power balance equations were used. The experimental power loss results were compared with the theoretical calculations based on the assumption of hot-phonon production at high fields. From transport analysis LO-phonon lifetimes were found 0.50 ps and 0.32 ps and the effective energy relaxation times were found 24 fs and 65 fs at high fields for samples grown on sapphire and SiC substrates, respectively. Then the hot-electron transport properties of high sheet electron density AlInN/AlN/GaN HEMT structure grown on sapphire at the lattice temperatures range from 10K to 300K were investigated. The experimental power loss results were compared with the theoretical calculations based on the assumption of hot-phonon production at high fields for different lattice temperatures. Effects of lattice temperatures were investigated on hot phonon lifetime and effective energy relaxation time. In conclusion, this work has emphasized that AlGaN/GaN HEMT structures grown on SiC shows better transport performance comparing to AlGaN/GaN HEMT structures grown on sapphire. This work has exhibited that lattice temperature is a crucial parameter for transport performance in AlInN/AlN/GaN HEMT structure.