Combined experimental and simulation analysis of VTH instability in vertical GaN Trench MOSFETs

In this work is reported the characterization of the threshold voltage instability in vertical GaN trench MOSFETs with three different types of oxide deposition with a constant gate oxide thickness of 70 nm: (a) pure Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD), (b) 5 nm of Atomic Layer Deposition (ALD) and 65 nm of LPCVD and (c) 15 nm of ALD and 55 nm of LPCVD. The experimental analysis is based on fast threshold-voltage transient analysis and fast capacitance-voltage characteristics in order to analyse the charge trapping effects on the device performances. The results shows that the minimum charge trapping is obtained on the devices (b) with 5 nm of ALD dielectric; this behaviour is ascribed to the presence of defects between the ALD and LPCVD layers, that results in a sheet of negative charge that decreases the electric field at the oxide-semiconductor region, thus minimizing charge trapping. The model was validated by means of TCAD simulations that confirmed the previous hypothesis.

In questa tesi si andrà a caratterizzare l’instabilità della tensione di soglia in transistor verticali in GaN con tre diverse deposizioni dell’ossido con uno spessore di 70 nm: (a) solamente Low Pressure Chemical Vapor Deposition (LPCVD), (b) 5 nm di Atomic Layer Deposition (ALD) e 65 nm di LPCVD e (c) 15 nm di ALD e 55 nm di LPCVD. I dispositivi sono analizzati con diverse tipologie di misura, per esempio VTH transient e fast CV in modo da analizzare gli effetti che l’intrappolamento ha sulle performance del dispositivo. I risultati delle misure mostrano che la minima variazione nella carica intrappolata si ha per i dispositivi (b) che hanno 5 nm di ALD; questo comportamento è dovuto alla presenza di stati interfaccia tra l’ossido depositato tramite ALD e quello depositato tramite LPCVD. Questo risulta in una concentrazione di carica negativa che diminuisce l’intensità del campo elettrico nella regione tra ossido e semiconduttore, riducendo l’intrappolamento di carica. Nella seconda parte di questo elaborato andremo a modellizzare il comportamento dello shift di soglia tramite software TCAD.