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GaN Schottky diodes for signal generation and control

Jin, Chong :
GaN Schottky diodes for signal generation and control.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: GaN Schottky diodes for signal generation and control
Language: English
Abstract:

The aim of this work is to explore the potential of GaN Schottky diodes for high fre- quency signal generation and control, with emphasis on their power handling capability. GaN Schottky diodes are expected to provide superior power handling capability due to the wide band-gap of GaN. Theoretical analysis has been performed analytically and numerically. Devices have been fabricated and their performance has been evaluated experimentally. Demonstration of monolithic integrated circuits utilizing the realized devices was also made.

The diode figure of merits e.g. Cj0, Rs , Vbr , have been considered with respect to power handling and harmonic generation to permit evaluation of the diode design requirements for satisfying specific circuit needs. Numerical simulation allowed the prediction of device performance for specific geometry and material properties. Simulation results have shown that GaN Schottky diodes have a power handling capability at least 2 times higher than their GaAs counterparts, while maintaining acceptable losses.

Several fabrication technology approaches have been studied and implemented for real- izing GaN-based Schottky diodes. Their key steps include dry etching, metal contacts, as well as interconnects. The surface treatment before metal deposition necessary for good quality Schottky contacts has been thoroughly studied. Three means of intercon- nect methods were demonstrated for on-wafer tests. They allowed rapid evaluation of the electrical characteristics of the diodes and set up the basis for the development of monolithic integrated circuits.

High frequency small-signal measurements have been performed for the GaN Schot- tky diodes. The obtained S-parameters were used to extract equivalent circuit models. A parameter extraction procedure was established to de-embed the pad parasitics, and obtaining information about their intrinsic elements permitting in this way diode opti- mization.

The large-signal characteristics of the fabricated diodes were measured on-wafer using a large-signal network analyzer. This novel characterization method provided immediate information about diode features such as power handling, loss etc. The time-domain waveforms of the diodes were obtained under various operating conditions allowing a better insight into the diode operation.

Large-signal models of the diodes have been obtained by considering the extracted small- signal equivalent circuit characteristics and the large-signal measurement results. GaN- based circuits using diodes have been studied. They include a frequency doubler and an analog phase shifter. Consideration of their large-signal characteristics was possible using the extracted diode large-signal models. Doublers made with this technology are expected to provide an output power of 10 dBm at 94 GHz. MMIC phase shifters were designed, fabricated and characterized. They showed a phase tuning (∆φ) of 45◦ and 6-7 dB insertion loss in the 32-38 GHz range.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Das Ziel dieser Arbeit ist es, das Potenzial der GaN-Schottky-Dioden zur Hochfrequenz- Signalerzeugung und -Steuerung zu untersuchen, mit Schwerpunkt auf ihrem Leistungs- vermögen. Für GaN-Schottky-Dioden werden überlegene Leistungsvermögen aufgrund der großen Bandlücke von GaN erwartet. Es wurden theoretische Untersuchungen ana- lytisch und numerisch durchgeführt. Mehrere Bauelemente wurden hergestellt und ihre Leistung experimentell bewertet. Weiterhin wurden monolithisch integrierte Schaltun- gen mit diesen hergestellten Bauelementen demonstriert. Die Diodengütefaktoren wie z. B. Cj0, Rs , Vbr , wurden hinsichtlich Leistungsvermö- gen und Oberwellenerzeugung untersucht, um die Design-Anforderungen der Dioden für spezielle Schaltungen bewerten zu können. Die numerische Simulation erlaubte die Vorhersage der Bauelementleistung für spezifische Geometrien und Materialeigen- schaften. Die Simulationsergebnisse haben gezeigt, dass GaN-Schottky-Dioden ein Leis- tungsvermögen von mindestens 2 mal höher als GaAs-basierte Dioden aufweisen, wäh- rend sie die akzeptablen Verluste beibehalten. Mehrere Fertigungstechnologieschritte wurden untersucht und zur Realisierung der GaN- basierten Schottky-Dioden eingesetzt. Die wichtigsten Schritte sind das Trockenätzen, die Herstellung von Metallkontakten sowie die Verbindungstechniken. Die Oberflächen- behandlung vor der Metallabscheidung, notwendig für qualitativ hochwertige Schottky- Kontakte, wurde detailliert untersucht. Weiterhin wurden drei Verbindungstechniken geeignet für On-Wafer-Tests entwickelt. Sie erlauben eine schnelle Auswertung der elek- trischen Diodeneigenschaften und legen die Basis für die Entwicklung von monolithisch integrierten Schaltungen. Mehrere Hochfrequenz-Kleinsignalmessungen wurden für die GaN-Schottky-Dioden durchgeführt. Die gemessenen S-Parameter wurden verwendet, um Ersatzschaltbilder zu extrahieren. Ein Parameter-Extraktionsverfahren wurde eingesetzt, um die parasitären Effekte der Kontaktpads zu entfernen und Informationen über ihre intrinsischen Kompo- nenten zu erhalten. Auf diese Weise soll die Diodenoptimierung ermöglicht werden. Die Großsignalcharakteristiken der hergestellten Dioden wurden mit einem Großsignal- Netzwerkanalysator On-Wafer gemessen. Diese neue Charakterisierungsmethode stellt direkt Informationen über die Diodenmerkmale wie Leistungsvermögen, Verlust usw. zur Verfügung. Die Zeitbereichsuntersuchungen der Dioden bei verschiedenen Betriebs- bedingungen gaben ein besseres Verständnis zum Diodenbetrieb. Die Großsignal-Modelle der Dioden erhielt man unter Berücksichtigung des extrahierten Kleinsignal-Ersatzschaltbildes und der Großsignal-Messungen. Anschließend wurden GaN-basierte Schaltungen mit diesen Schottky-Dioden untersucht. Diese waren na- mentlich ein Frequenzverdoppler und ein analoger Phasenschieber. Die Bestimmung ihrer Großsignal-Eigenschaften war unter Verwendung der extrahierten Großsignalmod- elle der Diode möglich. Für den mit dieser Technologie gebauten Verdoppler wird eine Ausgangsleistung von 10 dBm bei 94 GHz erwartet. Zum Schluss wurden MMIC- Phasenschieber entworfen, hergestellt und charakterisiert. Sie zeigten eine Phasenschiebung (∆φ) von 45◦ und 6-7 dB Einfügungsdämpfung zwischen 32 und 38 GHz.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Höchstfrequenzelektronik
Date Deposited: 22 Dec 2015 13:53
Last Modified: 22 Dec 2015 13:54
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52126
Referees: Pavlidis, Prof. Dr. Dimitris and Preu, Prof. Dr. Sascha
Refereed: 7 November 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5212
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