JST V4 Nagybiztonságú GaN MOS kapcsolótranzisztor  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »
 

Projekt adatai

  
azonosító
118201
típus NN
Vezető kutató Tóth Lajos
magyar cím JST V4 Nagybiztonságú GaN MOS kapcsolótranzisztor
Angol cím JST V4 Highly Safe GaN Metal-Oxide-Semiconductor Transistor Switch
magyar kulcsszavak Nagyteljesítményű elektronika, GaN, Nagy elektron-mobilitású tranzisztor, Fém-oxid-félvezető határfelületek
angol kulcsszavak Power electronics, GaN, High-electron mobility transistor, Metal-Oxide-Semiconductor interface
megadott besorolás
Anyagtudomány és Technológia (elektronika) (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)40 %
Elektronikus Eszközök és Technológiák (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)30 %
Fizika (Műszaki és Természettudományok Kollégiuma)30 %
Ortelius tudományág: Félvezetők fizikája
zsűri Informatikai–Villamosmérnöki
Kutatóhely Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet (HUN-REN Energiatudományi Kutatóközpont)
résztvevők Cora Ildikó
Pécz Béla
Szász Noémi Zsuzsanna
projekt kezdete 2016-01-01
projekt vége 2019-06-30
aktuális összeg (MFt) 17.796
FTE (kutatóév egyenérték) 2.50
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A projekt fő célja szabályzott felületi töltéssel rendelkező MOS-HEMT eszközök létrehozása, amelyekben a küszöbfeszültséget csökkentő trapping-effektust a lehetőség szerint korlátozzuk. Ehhez a következő lépseken keresztül kívánunk eljutni:
- A III-N heteroszerkezetekben kialakulő felületi donorállapotok eredetének és képződési folyamatainak alapvető feltárása
- A felületi donorsűrűség technológiai szabályozási lehetőségeinek feltárása, annak 1.8x10E13 cmE-2 érték alá csökkentése
- Az eszközökhöz szükséges félvezető rétegek növesztése, azok optimalizálása.
- Nagybiztonságú, normálállapotban kikapcsolt GaN MOS-HEMT eszközök kifejlesztése a felületi donorsűrűség szabályzásával, ahol a küszöbfeszültség legalább +2 V, változatlan kimenőáram mellett
- Nagybiztonságú, normálállapotban kikapcsolt GaN MOS-HEMT eszközök kifejlesztése alternatív (polarizációs töltés szabályzása) technológiával, az előbbihez hasonló paraméterekkel
- A koncepció megbízhatósági problémáinak mélyreható analízise, különös tekintettel a küszöbfeszültség instabilitás-érzékenységére és a gate-oxid integritására, amellyel egy biztonságos és megbízható GaN kapcsolóeszköz kifejlesztésekor számolni kell.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás célja a konverzió során elszenvedett energia veszteség csökkentése. Az alapfeltevés, hogy ez egy olyan GaN alapú tranzisztorral érhető el, amelyben a felületi töltéssűrűséget szabályozni tudjuk.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A felületi donorállapotok hatásainak szisztematikus feltárása új utat nyithat a GaN technológiában. A projektben megvalósítani kívánt eszközstruktúrák több paraméter egymástól független szabályozásához nyitnak utat és lehetőséget adnak azok javítására (pl: alacsony hozzávezetési ellenállás, alacsony gate-leakage, beállítható pozitív küszöbfeszültség, a geometria megváltoztatásának lehetősége).

Az energiaforrások minél hatékonyabb kihasználása előtérbe helyezi a veszteségek csökkentését. Becslés szerint az elektromos energia több mint 10%-a tűnik el konverziós veszteségként, ami jóval több, mint például a megújuló forrásokból származó villamos energia. Az ilyen típusú veszteségek csökkentésére új generációs, SiC vagy GaN alapú nagyhatásfokú teljesítménytranzisztoros konverterek alkalmazhatók, amelyekből a GaN tűnik perspektivikusabbnak, mivel elméleti hatásfokuk jelentősen meghaladja a Si alapú kapcsolóeszközökét. Ilyen nagyhatásfokú kapcsolóeszközök szélesebb elterjedését szolgálja a jelen projekt eredményes megvalósítása.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Az energiaforrások minél hatékonyabb kihasználása előtérbe helyezi a veszteségek csökkentését. Becslés szerint az elektromos energia több mint 10%-a tűnik el konverziós veszteségként, ami jóval több, mint például a megújuló forrásokból származó villamos energia. Az ilyen típusú veszteségek csökkentésére új generációs, SiC vagy GaN alapú nagyhatásfokú teljesítménytranzisztoros konverterek alkalmazhatók, amelyekből a GaN tűnik perspektivikusabbnak, mivel elméleti hatásfokuk jelentősen meghaladja a Si alapú kapcsolóeszközökét. A GaN ezenfelül robusztus, kémiailag stabil anyag, amely agresszív környezetben és magas hőmérsékleten is használható. Széleskörű elterjedésüket egyelőre akadályozza a technológia kiforratlansága, különösen a nagybiztonságú (normálállapotban kikapcsolt) nagy pozitív küszöbfeszültségű tranzisztor koncepció hiánya. Javaslatunk szerint ez a probléma kezelhető egy fém-oxid-félvezető (MOS) struktúra kifejlesztésével amelyben a gate-oxid/félvezető határfelületén mesterségesen lecsökkentjük a felületi donorsűrűséget. A projekt fő célja ilyen – szabályzott felületi töltéssel rendelkező – MOS-HEMT eszközök létrehozása, amelyekben a küszöbfeszültséget csökkentő trapping-effektust a lehetőség szerint korlátozzuk. Ezt a létrehozott eszközök sokoldalú – elektromos és anyagszerkezeti - jellemzésével kívánjuk elérni.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main goal of this project is to develop a GaN based metal-oxide-semiconductor (MOS) structure with a sufficiently low density of surface donors (SD) at the gate-oxide/heterostructure interface. Based on the current level of knowledge and flowing the proposed concepts for normally-off GaN MOS-HEMT, following main objectives of the proposed project are targeted:
(i) Gaining a fundamental understanding of the origin and formation of SD in III-N heterostructures;
(ii) Analysis of technological SD control allowing their suppression below 1.8 x 1013 cm-2 at oxide/III-N interfaces;
(iii) Development of highly safe normally-off GaN MOS-HEMTs based on SD engineering concept, with adjustable positive Vth above +2 V without compromising output current capability;
(iv) Analysis and development of alternative highly safe normally-off MOS-HEMTs based on polarization charge engineering concept, also with freely adjustable positive Vth and uncompromised output current capability;
(v) Thorough analysis of conceptual reliability issues in the developed normally-off MOS-HEMTs, in particular Vth bias and temperature instability and gate oxide integrity, that will facilitate development of safe and reliable GaN switching device;

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The fundamental concept of the planned project is to decrease electrical conversion losses by means of using highly efficient GaN based MOS-HEMT transistor switches with the suppression of surface donor states at the gate-oxide/heterostructures interface. The project also aims at implementing new technologies for the engineering and suppressing these SD and trapping charges.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Systematic study of the effects and origin of surface donors may lead to new possibilities in GaN technology. New device structures to be implemented in the frame of this research project enable us to independently control several device parmeters, moreover improve them beyond the values attainable today (e.g. low access resistance, low gate leakage, adjustable positive Vth, optimization of recess geometry).

Energy attainability has forced a great effort towards reserves searching. In fact, more than 10% of all electricity is lost in the form of conversion losses, representing over 10 times higher volume than the world’s supply of renewable energy. To decrease the conversion losses, highly efficient converters utilizing a new generation of power switching transistor based on SiC or GaN can be employed. Amongst them, GaN offers the highest theoretical figure-of-merits substantially over-performing the state-of-the-art Si switching devices. The realization of this project aims at the wider spreading of such high efficiency GaN based switching devices.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Energy attainability has forced a great effort towards reserves searching. In fact, more than 10% of all electricity is lost in the form of conversion losses, representing over 10 times higher volume than the world’s supply of renewable energy. To decrease the conversion losses, highly efficient converters utilizing a new generation of power switching transistor based on SiC or GaN can be employed. Amongst them, GaN offers the highest theoretical figure-of-merits substantially over-performing the state-of-the-art Si switching devices. Moreover, GaN is a robust and chemically stable material resistive to aggressive surrounding and high temperatures. However, a wider commercialization of the GaN power switching devices is hampered by the technology immaturity and, in particular, absence of a safe enhancement mode (or normally-off) transistor concept with a highly positive threshold voltage (Vth). As recently proposed by us, this issue can be addressed by implementing a metal-oxide-semiconductor (MOS) gate structure with a sufficiently low density of surface donors (SD) at the oxide/heterostructure interface. However, technological control of charges in GaN based MOS structures remains an open question. We intend to analyze the feasibility of controlling charges in processed MOS-HEMT structures using comprehensive electrical and structural characterization. Great effort will be devoted towards suppression of the trapping effects, often degrading threshold voltage stability in GaN MOS-HEMTs. Alternative MOS-HEMT designs will be also implemented and analyzed.




 

Zárójelentés

  
kutatási eredmények (magyarul)
A SAFEMOST projekt fő célja olyan GaN alapú fém-oxid-félvezető (MOS) szerkezetek kifejlesztése volt, melyeknek a gate-oxid/félvezető határfelületi donor-töltésssűrűségét elegendően kis értékre korlátozva lehetővé válik normál állapotban kikapcsolt kapcsolótranzisztorok létrehozása. Az ilyen kapcsolóeszközök segítségével jelentősen csökkenteni lehetne a konverziós veszteségeket a nagyteljesítményű elektronikában, Becslések szerint a teljes elektromos energiafogyasztás 10 %-ánál is nagyobb része tűnik el jelenleg ilyen konverziós veszteség formájában. A projekt résztvevői olyan új MOS-HEMT koncepciót dolgoztak ki és fejlesztették ki a szükséges technológiát hozzá, melynek segítségével a küszöbfeszültség szabályozhatóvá vált és így elérhető volt a normálállapotban kikapcsolt működési rezsim. Ennek eléréséhez egy alacsony hőmérsékleten leválasztott oxid-dielektrikum réteget hoztak létre AlGaN/GaN félvezető felületen. Az úgynevezett felületi donorállapotok keletkezésének vizsgálata megmutatta, hogy ezek alapvető szerepet játszanak abban, hogy biztonságosan magas küszöbfeszültséget lehessen megvalósítani ezekben az eszközökben. Egy másik koncepció alapján úgynevezett polarizációs engineering segítségével InGaN/AlGaN/GaN típusú félvezető eszközökben is sikerült megvalósítani a normál állapotban kikapcsolt tranzisztor működést. A projekt sikeres volt, valamennyi kitűzött célját elértük.
kutatási eredmények (angolul)
The main goal of the international SAFEMOST project was to develop GaN based metal-oxide-semiconductor (MOS) structures with a sufficiently low density of surface donors (SD) at the gate-oxide/semiconductor heterostructure interface thus allowing the realization of normally-off switching transistors. Main impact of using such switching devices would be a significant decrease of conversion losses in power electronics making up more than 10% of the total electricity consumption today. The consortium proposed a new MOS-HEMT concept and also verified a new technology of normally-off GaN transistors with scalable Vth (threshold voltage). This concept involved the low temperature deposition of a dielectric oxide layer grown on AlGaN/GaN semiconductor which made possible the preparation of the above normally-off GaN transistors. The generation of so called surface donors have been analysed which play a decisive role for setting a safely high value of Vth of the devices. The influence of oxide layer thickness on the stability of Vth was also studied. By means of polarization engineering in etched access in InGaN/AlGaN/GaN devices another way was opened to reach normally-off operation of these switching transistors. All the planned aims of the project were reached.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=118201
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

  
Ťapajna M, Stoklas R, Gregušová D, Válik L, Gucmann F, Hušeková K, Haščík Š, Fröhlich K, Tóth L, Pécz B, Mičušík M, Brunner F, Hashizume T, and Kuzmík J: On the origin of surface donors in AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor heterostructures with Al2O3 gate dielectric: Correlation of electrical, structural, and chemical pr, IWN 2016, International Workshop on Nitride Semiconductors, Orlando, FL, USA, 2016
Ťapajna M, Válik L, Gucman F, Gregušová D, Fröhlich K, Haščík Š, Dobročka E, Tóth L, Pécz B, Kuzmík J: Low-temperature ALD-grown Al2O3 gate dielectric for GaN/AlGaN/GaN MOS HEMTs: Impact of deposition conditions on interface state density, J Vacuum Science and Technology B, 2017
Ťapajna M, Stoklas R, Gregušová D, Gucman F, Hušeková K, Haščík Š, Fröhlich K, Tóth L, Pécz B, Brunner F, Kuzmík J: Investigation of ‘surface donors’ in Al2O3/AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor heterostructures: Correlation of electrical, structural, and chemical properties, Applied Surface Science 426, 656-661, 2017
Ťapajna M, Válik L, Gucman F, Gregušová D, Fröhlich K, Haščík Š, Dobročka E, Tóth L, Pécz B, Kuzmík J: Low-temperature atomic layer deposition-grown Al2O3 gate dielectric for GaN/AlGaN/GaN MOS HEMTs: Impact of deposition conditions on interface state density, J. Vac. Sci. Technol. B 35, 01A107, 2017
Tóth L, Cora I, Tapajna M, Frröhlich K, Kuzmik J, Pécz B:: TEM study of dielectric films deposited on the surface of GaN/AlGaN/GaN MOS heterostructure, 12th Topical Workshop on Hetrostructure Microelectronics, Kirishima, Japan, 2017
Gregušová D, Blaho M, Šichman P, Haščík Š, Hasenöhrl S, Stoklas R, Laurenčíková A, Fröhlich K, Tóth L, Pécz B, Brunner F, Würfl J, Hashizume T, Kuzmík J: Threshold voltage controllability and stability in InGaN/AlGaN/GaN MOS HEMTs, 12th Topical Workshop on Hetrostructure Microelectronics, Kirishima, Japan,, 2017
Ťapajna M, Gucman F, Hušeková K, Gregušová D, Stoklas R, Mičušík M, Tóth L, Pécz B, Fröhlich K, Kuzmík J: On the control of interface charges at MOCVD grown Al2O3/III-N heterojunctions: Impact of pre- and post-deposition treatments, International Conference on Nitride Semiconductors, Strasbourg, France, 2017
Tóth L, Cora I, Ťapajna M, Frölich K, Kuzmik J and Pécz B: Structure of low temperature ALD deposited dielectric films on the surface of GaN/AlGaN/GaN MOS heterostructure, EMRS-Fall Meeting, Warszawa, Poland, 2018
Gregušová D, Hasenöhrl S, Stoklas R, Haščík Š, Pohorelec O, Seifertová A, Blaho M, Laurenčíková A, Tóth L, Pécz B, Kuzmik J: InGaN/AlGaN/GaN normally-off MOS HEMT with etched access region, Int. Workshop on Nitride Semiconductors (IWN), Kanazawa, Japan, 2018
Tóth L, Cora I, Fogarassy Zs, Pécz B, Hasenöhrl S, Seifertová A, Kuzmik J: TEM study of InGaN/AlGaN/GaN normally-off MOS HEMT structures, Int. Workshop on Nitride Semiconductors (IWN), Kanazawa, Japan, 2018
Gregušová D, Tóth L, Pohorelec O, Hasenöhrl S, Haščík Š, Cora I, Fogarassy Z, Stoklas R, Seifertová A, Blaho M, Laurenčíková A, Oyobiki T, Pécz B, Hashizume T, Kuzmik J: InGaN/(GaN)/AlGaN/GaN normally-off metal-oxide-semiconductor high-electron-mobility transistors with etched access region, Japanese Journal of Applied Physics 58, SCCD21 (2019), 2019




 

Projekt eseményei

  
2020-01-10 14:31:32
Résztvevők változása



vissza »