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Zanon, Franco (2008) Hybrid substrates employment for the development of Gallium Nitride HEMTs: study of reliability and failure modes. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

In this work the electrical characterization of AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs) grown epitaxially on composite SiCopSiC, SopSiC and silicon substrate processed in the frame of the European HYPHEN project have been reported. A full set of electrical characterization, DC, Pulsed and RF has been carried out. Some preliminary breakdown measurements have been also carried out. By comparing to the state of the art device developed since more than 10 years GaN on SiC to those of HYPHEN projects GaN on hybrid substrate, the electrical performance observed are good well in line. The main DC parameters (Maximum drain current, maximum transconductance, gate leakage current, threshold voltage) are approaching values obtained in devices processed in more conventional substrates. Current collapse free transistors with promising RF performances have been obtained. Some other devices present current collapse, however the data analysis indicate that the mechanism responsible for the collapse seems not to be related to the bulk material, but more to the surface. This is a very important result because, if confirmed, it will rule out the most critical aspect that was forecast at the beginning of the project: bulk-related trap phenomena. The reliability aspects of hybrid substrates devices have been then investigated. A “short-term” step-stress plan with a maximum drain-to-source voltage of 30 V on several wafers has been carried out. No degradation has been observed in almost all tested devices but some devices exhibit remarkable degradation at relatively low VDS voltages. On selected wafers, the step-stress test has been also extended up to VDS = 50 V and, surprisingly, devices exhibited very excellent reliability performances, showing no degradation.
A deep investigation of traps responsible of GaN HEMTs parasitic effects has been reported in the second part of this work. This study has been performed on AlGaN/GaN devices grown on conventional SiC substrate in the frame of the European project KorriGaN (Key ORganisation for Research on Integrated circuit in GaN technology), since the fabrication technology is more mature. By the way, the same considerations could be extended to composite substrate devices as well. In general, effective passivation of surface traps has been achieved, and good results have been achieved by KorriGaN wafers, with reduced decrease of the drain current during pulsed operation. Average current slump level is ~80% (ideal value is 100%). The dependence of the current collapse effects on material, field-plate and device geometry has been also studied, demonstrating that field plate has a strong effect on collapse only when a high density of surface traps is present. The study of the dependence of "KINK effect" on device geometry, together with measurements as a function of temperature, photocurrent spectroscopy, Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) and cathodoluminescence (CL) spectroscopy within a Scanning Electron Microscope (SEM) have shown that the kink effect is due to the presence of deep levels within the undoped GaN layer, possibly related with the observation of yellow luminescence in the CL spectra.

Abstract (italiano)

Questa tesi riassume il lavoro svolto relativo alla caratterizzazione statica, dinamica, affidabilistica, ai modi di guasto e agli effetti parassiti legati al funzionamento di transistor ad alta mobilità elettronica (High Electron Mobility Transistor - HEMT) basati su eterostruttura AlGaN/GaN.
La prima parte della tesi, in particolare, sintetizza l’attività di caratterizzazione elettrica e l’analisi affidabilistica effettuate su dispositivi cresciuti su substrati innovativi, come SopSiC e SiCopSiC, sviluppati all’interno del progetto europeo HYPHEN. Questi substrati sono realizzati tramite il trasferimento, su un wafer di carburo di silicio policristallino, di un sottile strato monocristallino di silicio (SopSiC) o carburo di silicio (SiCopSiC). I substrati ibridi sono stati studiati allo scopo di trovare un’alternativa funzionale e meno costosa rispetto al convenzionale SiC monocristallino, attualmente utilizzato come substrato preferenziale per la crescita di dispositivi su nitruro di gallio. Un’analisi delle caratteristiche statiche, impulsate e RF è stata effettuata su tutti i campioni ricevuti, oltre ad alcuni test per valutare le massime tensioni sostenibili dalle strutture (breakdown). Si è valutato dunque come questi dispositivi innovativi presentino performance (in termini di corrente di saturazione, massima trans conduttanza, correnti di perdita, tensione di soglia) in costante miglioramento, che stanno quindi raggiungendo quelle dei transistor cresciuti da più di 10 anni su SiC. Alcuni HEMT misurati mostrano caratteristiche in regime dinamico molto promettenti, con ottime prestazioni RF, mentre altri sono purtroppo affetti da fenomeni di dispersione in frequenza. Da un’attenta analisi si è però dimostrata la non diretta correlazione tra la presenza delle trappole responsabili di questi fenomeni dispersivi e l’utilizzo dei substrati ibridi, facendone invece ricadere la causa nei difetti superficiali. Questo risultato è molto importante, in quanto esclude uno degli aspetti più critici previsti all’inizio del progetto: la formazione di trappole di tipo “bulk-related”. L’affidabilità dei dispositivi cresciuti su substrato ibrido è stata valutata mediante una serie di test di ageing. Un’analisi preliminare è stata condotta tramite una serie di brevi “step-stress”, con tensioni massime drain-source di 30 V, evidenziando un buon comportamento per quasi tutti i wafer misurati. Per i dispositivi più promettenti il test è stato prolungato fino ai 50 V, e sorprendentemente le principali caratteristiche elettriche sono rimaste pressoché invariate. È stato infine effettuato un test di vita accelerata su un wafer cresciuto su SopSiC, sia a canale aperto che a canale chiuso. Dopo 1000 ore di stress in condizione di canale aperto i dispositivi non hanno mostrato alcuna variazione nelle caratteristiche elettriche, mentre alla fine del test a canale chiuso si è notato un aumento della corrente di leakage.
La seconda parte della tesi analizza in dettaglio i fenomeni parassiti legati al funzionamento degli HEMT su nitruro di gallio. Questo studio è stato effettuato all’interno del progetto europeo KorriGaN, (Key ORganisation for Research on Integrated circuit in GaN technology) su dispositivi cresciuti su SiC, in quanto tecnologia più matura. I risultati sono ad ogni modo estendibili ai dispositivi cresciuti su substrati ibridi. L’eventuale presenza di trappole superficiali è stata contrastata da tecniche di passivazione ottimali, permettendo funzionamenti in regime dinamico buoni, con cali di corrente in regime impulsivo rispetto alla condizione statica (current slump) mediamente del 20%. Una parte del lavoro è stata dedicata a valutare la dipendenza del collasso di corrente dal tipo di materiale, dall’utilizzo o meno del field-plate e dalle geometrie, dimostrando come il field-plate abbia un impatto migliorativo solo quando la concentrazione di trappole superficiali è sufficientemente alta. L’aspetto del KINK è stato poi studiato in modo approfondito, tramite analisi di dipendenza dalla geometria del dispositivo, misure in funzione della temperatura, misure di foto-corrente, Deep Level Transient Spectroscopy (DLTS) e catodoluminescenza (CL). Queste misure hanno evidenziato come il KINK sia molto probabilmente correlato alla presenza di livelli profondi nello strato di GaN, e correlato inoltre alla presenza di banda gialla nello spettro di catodoluminescenza.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Meneghesso, Gaudenzio
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 21 > Scuole per il 21simo ciclo > INGEGNERIA DELL'INFORMAZIONE > INGEGNERIA ELETTRONICA E DELLE TELECOMUNICAZIONI
Data di deposito della tesi:29 Gennaio 2009
Anno di Pubblicazione:2008
Parole chiave (italiano / inglese):HEMT, AlGaN/GaN, gallium nitride, composite substrate, hybrid substrates, kink, parasitic effect, korrigan, hyphen
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 09 - Ingegneria industriale e dell'informazione > ING-INF/01 Elettronica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione
Codice ID:1492
Depositato il:29 Gen 2009
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Bibliografia

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[1] E. O. Johnson, “Physical limitation on frequency and power parameters of transistor,” RCA Rev., pp.163-176, Jun. 1965 Cerca con Google

[2] B. Faure et al., in Semiconductor Wafer Bonding VIII, ECS Proc., vol. 2005-02, edited by K. D. Hobart et al. (The Electroch. Society, Pennington, NJ, USA, 2005), pp. 106-118 Cerca con Google

[3] www.hyphen-eu.com Vai! Cerca con Google

[4] R. Dingle, H. L. Störmer, A. C. Gossard, and W. Wiegmann, “Electron mobilities in modulation-doped semiconductor heterojunction supperlattices,” Appl. Phys. Lett., vol. 33, no. 7, pp. 665-667, Oct. 1978. Cerca con Google

[5] T. Mimura, S. Hiyamizu, T. Fujii, and K. Nanbu, “A new field-effect transistor with selectively doped GaAs/n-AlGaAs heterojunctions,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 19, no. 5, pp. L225-L227, May 1980. Cerca con Google

[6] I. P. Smorchkova, C. R. Elsass, J. P. Ibbetson, R. Vetury, B. Heying, P. Fini, E. Hauss, S. P. Denbaars, J. S. Speck, and U. K. Mishra, “Polarization-induced charge and electron mobility in AlGaN/GaN heterostructures grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy,” J. Applied Phys., vol. 86, no. 8, pp. 4520-4526, Oct. 1999. Cerca con Google

[7] M. Heuken, “High electron mobility transistor – basic principles, current status, and future trends,” Lecture Notes, Hong Kong Univ. of Sci. & Tech., Hong Kong, China, April 2004. Cerca con Google

[8] J. I. Pankove and T. D. Moustakas, Gallium Nitride (I & II). San Diego: Academic Press, 1998 & 1999. Cerca con Google

[9] F. Bernardini, V. Fiorentini, and D. Vanderbilt, “Spontaneous polarization and piezoelectric constants of III-V nitrides,” Phys. Rev. B, vol. 56, no. 16, pp. 10024-10027, Oct. 1997. Cerca con Google

[10] V. Fiorentini, F. Bernardini, and O. Ambacher, “Evidence for nonlinear macroscopic polarization in III-V nitride alloy heterostructures,” Appl. Phys. Lett., vol. 80, no. 7, pp. 1204-1206, Feb. 2002. Cerca con Google

[11] M. Stutzmann, O. Ambacher, M. Eickhoff, U. Karrer, A. L. Pimenta, R. Neuberger, J. Schalwig, R. Dimitrov, P. J Schuck, and R. D. Grober, “Playing with polarity,” Phys. Stat. Sol. B, vol. 228, no. 2, pp. 505-512, Nov. 2001. Cerca con Google

[12] A. S. B. Kevin F. Brennan, Theory of Modern Electronic Semiconductor Devices. John Wiley & Sons, 2002. Cerca con Google

[13] O. Ambacher, J. Smart, J. R. Shealy, N. G. Weimann, K. Chu, M. Murphy, W. J. Schaff, L. F. Eastman, R. Dimitrov, L. Wittmer, M. Stutzmann, W. Rieger, and J. Hilsenbeck, Two-dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization charges in N- and Ga-face Al- GaN/GaN heterostructures, Journal of Applied Physics, vol. 85, no. 6, pp. 3222-3233, 1999. Cerca con Google

[14] A. Y. Md. Tanvir Hasan, Ashraful G. Bhuiyan, Two dimensional electron gas in InN-based heterostructures: Effects of spontaneous and piezoelectric polarization, Electronics Letters, Feb. 2007. Cerca con Google

[15] O. Ambacher, B. Foutz, J. Smart, J. R. Shealy, N. G. Weimann, K. Chu, M. Murphy, A. J. Sierakowski, W. J. Schaff, L. F. Eastman, R. Dimitrov, A. Mitchell, and M. Stutzmann, “Two dimensional electron gases induced by spontaneous and piezoelectric polarization in undoped and doped AlGaN/GaN heterostructures,” J. Appl. Phys., vol. 87, no. 1, pp. 334-344, Jan. 2000. Cerca con Google

[16] J. P. Ibbetson, P. T. Fini, K. D. Ness, S. P. DenBaars, J. S. Speck, and U. K. Mishra, Polarization effects, surface states, and the source of electrons in AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors, Applied Physics Letters, vol. 77, no. 2, pp. 250-252, 2000. Cerca con Google

[17] Y. Zhang and J. Singh, Charge control and mobility studies for an AlGaN/GaN high electron mobility transistor, Journal of Applied Physics, vol. 85, no. 1, pp. 587-594, 1999. Cerca con Google

[18] A. D. Bykhovski, R. Gaska, and M. S. Shur, Piezoelectric doping and elastic strain relaxation in AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors, Applied Physics Letters, vol. 73, no. 24, pp. 3577-3579, 1998. Cerca con Google

[19] J. H. E. L. Liu, Substrates for gallium nitride epitaxy, Electronics Letters, Apr. 2002. Cerca con Google

[20] G. Chichignoud, M. Pons, E. Blanquet, D. Chaussende, M. Anikin, E. Pernot, M. Mermoux, R. Madar, C. Moisson, and F. Letertre, High temperature processing of poly-SiC substrates from the vapor phase for wafer-bonding, Surface & Coatings Technology, 2006. Cerca con Google

[21] H. Lahreche et al., Proc. Of 31th WOCSDICE2007, pp. 31-34, May 20-23th, 2007 Venice, Italy. Cerca con Google

[22] R. Vetury, N. Zhang, S. Keller, and U. Mishra, The impact of surface states on the DC and RF characteristics of AlGaN/GaN HFETs, Electron Devices, IEEE Transactions on, vol. 48, no. 3, pp. 560-566, Mar 2001. Cerca con Google

[23] A. Chini, Fabrication, characterization and reliability of AlGaN/GaN HEMTs for power microwave applications, Ph.D. dissertation, Università di Padova, 2002. Cerca con Google

[24] A. Koudymov, V. Adivarahan, J. Yang, G. Simin, and M. Khan, Mechanism of current collapse removal in field-plated nitride HFETs, Electron Device Letters, IEEE, vol. 26, no. 10, pp. 704-706, Oct. 2005. Cerca con Google

[25] S. Karmalkar, M. Shur, G. Simin, and M. Khan, Field-plate engineering for HFETs, Electron Devices, IEEE Transactions on, vol. 52, no. 12, pp. 2534-2540, dec. 2005. Cerca con Google

[26] Accent DIVA Models D210, D225, D225HBT, D265 Dynamic I(V) Analyzer, User Manual, Issue 1.0, (P/N 9DIVA-UM01), 2001. Accent Optical Technologies, 131 NW Hawthorne,Bend,OR 97701. Cerca con Google

[27] P. Kordos, et al. “Influence of gate-leakage current on drain current collapse of unpassivated GaN/AlGaN/GaN high electron mobility transistors”, Applied Physics Letters Vol. 86, p. 253511, 2005) Cerca con Google

[28] A. Tazzoli, et al., “ESD Robustness of AlGaN/GaN HEMT Devices”, EOS/ESD 2007 Symposium, CA, USA, 2007. Cerca con Google

[29] A. Mazzanti, G. Verzellesi, C. Canali, G. Meneghesso, E. Zanoni “Physics-based explanation of Kink dynamics in AlGaAs/GaAs HFETs” IEEE El. Dev. Letters, vol. 23(7), pp. 383-385, 2002 Cerca con Google

[30] G. Meneghesso, C. Canali, P. Cova, E. De Bortoli, E. Zanoni, “Trapped charge modulation: a new cause of instability in AlGaAs/InGaAs pseudomorphic HEMT’s”, IEEE El. Dev. Letters, vol. 17(5), pp. 232-234 Cerca con Google

[31] E. Calleja et al., Phys. Rev. B 55, 4689, 1997 Cerca con Google

[32] Soh at al. Jour. Appl. Phys. 96(3), 1341, 2004 Cerca con Google

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