Control of threshold voltage in E-mode and D-mode GaN-on-Si metal-insulator-semiconductor heterostructure field effect transistors by in-situ fluorine doping of atomic layer deposition Al2O3 gate dielectrics

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作者
Joseph W. Roberts,Paul R. Chalker,K. B. Lee,P.A. Houston,S. J. Cho,Iain Thayne,Ivor Guiney,D. J. Wallis,C. J. Humphreys
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:108 (7) 被引量:17
标识
DOI:10.1063/1.4942093
摘要

We report the modification and control of threshold voltage in enhancement and depletion mode AlGaN/GaN metal-insulator-semiconductor heterostructure field effect transistors through the use of in-situ fluorine doping of atomic layer deposition Al2O3. Uniform distribution of F ions throughout the oxide thickness are achievable, with a doping level of up to 5.5 × 1019 cm−3 as quantified by secondary ion mass spectrometry. This fluorine doping level reduces capacitive hysteretic effects when exploited in GaN metal-oxide-semiconductor capacitors. The fluorine doping and forming gas anneal also induces an average positive threshold voltage shift of between 0.75 and 1.36 V in both enhancement mode and depletion mode GaN-based transistors compared with the undoped gate oxide via a reduction of positive fixed charge in the gate oxide from +4.67 × 1012 cm−2 to −6.60 × 1012 cm−2. The application of this process in GaN based power transistors advances the realisation of normally off, high power, high speed devices.

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