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Rossetto, Isabella (2014) From GaAs to GaN technology: study of limits and reliability of High Electron Mobility Transistors. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

High Electron Mobility Transistors (HEMTs) are finding wide applications in many areas, including microwave power amplifiers, radars, communication and conversion fields. The high mobility, due to the reduction of scattering phenomena, and the high carrier density, due to the confinement of electrons in the so called 2DEG, allowed the achievement of a high current density and low channel resistance, thus making these devices very suitable for high frequency applications.
HEMTs are usually based on III-V materials, especially GaAs and GaN technology, as a consequence of their electrical properties. In the last years gallium nitride has become one of the most interesting and suitable material. The high direct energy gap led to better performances especially in optoelectronic devices such as Light emitting diodes, lasers and detectors. Furthermore, the high carrier saturation velocity and the high mobility demonstrated high performances in devices aimed at high frequency, such as HEMTs. Finally the high electric field breakdown and Johnson’s figure of merit suggest its use for devices with high power requirements, thus overcoming in many areas gallium arsenide technology. For many applications, such as MMIC (monolithic microwave integrated circuits) structures, gallium arsenide is preferable, mainly as a consequence of excellent charge transport properties and low loss at microwave and millimetre-wave frequencies. Furthermore, especially for commercial purposes, gallium arsenide is more used due to the well-established technology.
Although the significant intrinsic properties, both gallium arsenide and gallium nitride HEMT technology are still affected by reliability issues which limit their performances in common applications. The purpose of this thesis is to study reliability topics which limit HEMT technology on the basis of materials used, namely GaAs, GaN, InAlN, in order to define corresponding limits and performances. With the aim of providing for a more complete perspective the analysis will focus not only on discrete transistors but it will be extended also on complete structures such as power amplifiers.
Within this work we present a detailed study of two main degradation mechanisms which still affect GaAs technology and limit its performances both in discrete pHEMTs and in commercial complete structures: thermal degradation and electrostatic discharge failure. Thermal degradation analysis has been firstly studied on discrete structures, namely pseudomorphic HEMTs. A first purpose is to define main failure mechanisms and modes by means of a long term thermal stress with no bias applied. Several analysis (DC, pulsed, end resistances and barrier height evaluation) has been proposed to monitor devices behaviour. Degradation appears to be non-monotonic, i.e. drain current first decreases, then increases again, following the corresponding shifts in the threshold voltage. Although the initial decrease of drain current could be attributed to gate metal interdiffusion, or "gate sinking", leading to a positive shift of threshold voltage, it is accompanied by a variation of the maximum value of transconductance and an increase of end resistances, that suggest a concurrent degradation of ohmic contacts. A third mechanism, represented by the Schottky barrier height, counteracts the effect of gate interdiffusion and eventually prevails, leading to an opposite shift of the threshold voltage.
Devices used for high power applications can reach high junction temperatures as a consequence of the power dissipation, demonstrating the importance of accurately defining the thermal resistance, i.e. the channel temperature variation as a function of power dissipated. A second purpose of this chapter is to provide for a detailed description of different techniques (namely DC, pulsed and infrared thermal camera) to estimate channel temperature of HEMTs and to present a critical comparison among them. Differently from DC and pulsed evaluation, analysis with IR thermal camera strongly underestimates the results. With the aim of understanding the impact of inaccuracies on a high frequency application the analysis has been extended to a four stage MMIC power amplifier. The strong underestimation of IR method has been confirmed; furthermore the thermal interaction among different stages and its impact on the structure has been studied. By means of a deep analysis of thermal resistance a HTOL test has been proposed on power amplifiers, submitting the devices both to an electrical and thermal stress and confirming that no significant effect is noticed if a junction temperature lower or equal to 250°C is reached. Comparison between VTH shift in HTOL and thermal stress suggests that the junction temperature has been slightly underestimated.
Electrostatic discharge robustness has been studied on a four stage MMIC power amplifier based on GaAs pHEMT technology used in commercial point to point microwave systems. The structure is characterized by a ESD protection circuit mainly defined by Schottky diodes protection structures at the gate terminals and resonant circuit protection structure at the RF input and output pads. Robustness has been analysed with a 100ns TDR-TLP. Results have been confirmed with HBM and MM tests. No failures are observed in the RF-IN, RF-OUT and Drain connections vs. GND up to ±2 kV and ±200 V HBM and MM respectively. RF pads failed with TLP analysis at about 6.5-7A, resulting in an open circuit at the inductor and a short at the capacitor of the resonant structure. Gate connections fail in correspondence of the negative HBM pre-charge value starting from -1.0 kV; MM stresses lead to the failure of the Gate connections from -50 V. Failures are due to the damage of anti-parallel Schottky diodes acting as ESD protection structures. The auxiliary connections reveal to be the most sensitive I/Os of the entire PA, failing at 250 V and 25 V, respectively HBM and MM, due to the failure of integrated resistors.
A second part of the thesis mainly focuses on AlGaN/GaN devices. One of the main aspects which limit devices RF and power performances is the so-called current collapse and trapping effects. Therefore a detailed analysis has been proposed on devices characterized by a different iron doping in the buffer layer aimed at preventing parasitic effects and punch through phenomenon. The aim is to define a correlation between the trapping behaviour and iron doping in the buffer layer. A further purpose is to study the correlation between several degradation phenomena when a reliability stress is imposed, both in terms of DC characterization, trapping effects and light emission analysis. A comparison of the correlation between different degradation phenomena in devices with several iron doping quantities is finally proposed. Results are consistent with further investigations reported in literature which correlate the use of iron doping to a trap level with activation energy of 0.57-0.7eV.
The analysis firstly demonstrates that iron doping determines a measurable current collapse, which is related to the presence of a trap (T1) located in the buffer with time constant of 3.2ms at T=40°C. Trapping location is consistent with the amplitude significant increase with Fe-concentration in the buffer. Furthermore trap T1 reveals a lower activation energy in devices with no iron doping. The amplitude of trap T1 in devices with different structures and comparison with works reported in literature suggest that the trap is due to an intrinsic defect in the buffer layer characteristic of GaN, although its concentration strongly depends on buffer doping quantity. Results of current transients with different filling pulses applied suggest that trapping is due to line defects or point defects clustering around dislocations. A second trap, T2, is detected. According to comparison of devices with different iron doping and comparison with gm(f) analysis we can suppose that T2, characterized by a time constant of 0.25s at T=40°C, is probably located in the AlGaN layer.
Results of an electrical stress applied to the gate terminal of Fe doped devices indicate that the main consequences of the stress experiments are (i) an increase in the leakage gate current, which is strongly correlated to light emission and – beyond the critical voltage – to an increase in the current collapse and (ii) the increase in the transient signal associated with the pre-existing trap levels, without the generation of new traps. Discussion about different results related to the Fe doping buffer layer demonstrates that, when submitted to step-stress, all the devices show a significant and permanent increase in gate leakage current. Furthermore stress induces also an increase in current collapse, which is not correlated to the generation of new trap levels but originates from the increase in the signal associated with the pre-existing trap levels T1 and T2. The change in the signal of T2 (which is supposed to be located in the AlGaN barrier) may be due to an increase in the concentration of a defect (T2); the change of T1, (probably located in the buffer layer) can be explained by the generation of defect-related conductive paths between the gate and the channel which enhance transfer electrons toward the trap states.
In the last part new materials to improve GaN technology performances are studied. InAlN/GaN structures are becoming very important as a consequence of the higher carrier density in the 2DEG and the possible achievement of a lattice matched structure, thus significantly improving device electrical and thermal stability. Further improvements, especially at the contacts, will be presented within this thesis. A first analysis consists of the use of a different material for the Schottky gate contact. A comparison of InAlN/GaN HEMTs with analogous structure but different gate, namely Mo/Au and Ni/Pt/Au, is studied. Despite no significant variation is noticed during DC analysis, pulsed evaluation demonstrates that the use of a Mo/Au gate contact leads to an improvement of trapping characteristics, mainly due to the process used for contact deposition. By means of a three terminals step stress it is finally proved that Mo/Au does not significantly affect device stability.
A second analysis consists of the definition of a recess before the deposition of ohmic contacts to reduce parasitic resistances. The comparison is proposed for two different wafer, characterized by a similar but not analogous structure and different Carbon doping quantity to avoid parasitic leakage current. DC analysis shows that a significant variation is noticed in IDSS value, showing that a lower value corresponds to structures with recess at the ohmic contacts. This aspect is mainly due to the fact that a lower on resistance measured in linear zone is not obtained. Pulsed analysis states a high current collapse value with no significant correlation with device structure or presence of recess at the ohmic contacts. Drain current transient reveals two main traps, labelled T1 and T2. Activation energy, differently from the cross section value, is not influenced by device structure or by recess at the ohmic contacs. On the basis of drain current transients, gm(f) analysis and previous works reported in literature we can speculate that trap T2 is located in the buffer layer, differently from trap T1 which is probably in the AlGaN layer. Filling time measurements indicate that both the traps are mainly due to line defects.

Abstract (italian)

High Electron Mobility Transistors (HEMTs) sono utilizzati in molte applicazioni, tra le quali microwave power amplifiers, radars, applicazioni per telecomunicazioni e potenza. L’alta mobilità, dettata dalla riduzione dei fenomeni di scattering, e l’alta densità di portatori, dettata dal confinamento degli elettroni in una buca quantica triangolare (2DEG), hanno permesso il raggiungimento sia di un’alta densità di corrente, sia di una bassa resistenza di canale, rendendo questi dispositivi particolarmente indicati per applicazioni che richiedono alta frequenza.
Gli HEMT sono in genere composti da materiali III-V, nello specifico arseniuro di gallio (GaAs) e in nitruro di gallio (GaN), come conseguenza delle loro proprietà a livello elettrico. Negli ultimi anni il nitruro di gallio è diventato uno tra i materiali più interessanti e utilizzati. L’alto energy gap diretto permette di raggiungere prestazioni molto migliori in particolare nei dispositivi optoelettronici, come Light emitting diodes, lasers and detectors. Inoltre l’alta velocità di saturazione dei portatori e l’alta mobilità hanno condotto ad alte prestazioni anche in dispositivi che lavorano ad alte frequenze, come gli HEMT. Infine, l’alto valore di campo elettrico di breakdown e la Johnson’s figure of merit ne permettono l’utilizzo in dispositivi per applicazioni di potenza, superando dunque in molti ambiti l’arseniuro di gallio. Tuttavia, per molte applicazioni, quali ad esempio strutture MMIC (monolithic microwave integrated circuits), si preferisce ricorrere all’arseniuro di gallio, principalmente per le eccellenti proprietà di trasporto di carica e le perdite minori a frequenze corrispondenti alle microonde. Inoltre, in particolare per scopi commerciali, l’arseniuro di gallio rimane un’ottima soluzione in quanto tecnologia molto stabile in termini di affidabilità.
Nonostante le significative proprietà intrinseche, gli HEMT sia in arseniuro di gallio sia in nitruro di gallio sono ancora caratterizzati da numerosi problemi in termini di affidabilità che limitano in modo significativo le loro prestazioni nella maggior parte delle applicazioni. Lo scopo di questa tesi è dunque di studiare alcuni aspetti peculiari che limitano la tecnologia HEMT. Si è voluto proporre un approccio basato sui materiali utilizzati, principalmente GaAs, GaN, InAlN, per poter definire limiti e prestazioni corrispondenti prestando particolare attenzione al materiale considerato. La scelta di voler proporre una prospettiva maggiormente completa ha condotto a non focalizzare l’analisi solo su transistor HEMT discreti ma anche su strutture complete come amplificatori di potenza.
In questo lavoro si presenta uno studio dettagliato di due meccanismi di degrado che influenzano ancora la tecnologia in arseniuro di gallio, limitandone le prestazioni sia in dispositivi discreti che in strutture complete commerciali: degrado termico e guasti per scariche elettrostatiche. Il degrado termico è stato innanzitutto studiato su strutture discrete, ovvero su HEMT pseudomorfici. Un primo obiettivo consiste nel definire i principali meccanismi e modi di degrado in seguito ad uno stress termico accelerato senza polarizzazione. Per monitorare il comportamento dei dispositivi numerose analisi sono state proposte, ovvero caratterizzazione DC, impulsata, misura delle end resistances e calcolo dell’altezza di barriera. Durante lo stress il degrado sembra essere non monotono, in quanto la corrente di drain inizialmente cala per poi crescere nuovamente, in modo coerente con gli spostamenti corrispondenti della tensione di soglia. Nonostante la variazione iniziale di corrente si possa attribuire a interdiffusione metallurgica (gate sinking), dimostrata anche da uno shift positivo della tensione di soglia, tale fenomeno è accompagnato anche da un degrado ai contatti ohmici, come dimostrato dalla variazione del picco della transconduttanza e dall’aumento delle corrispondenti resistenze parassite (end resistances). Un terzo meccanismo, descritto dalla diminuzione dell’altezza di barriera del diodo schottky, produce un effetto opposto all’interdiffusione metallurgica, in taluni casi anche prevalendo e comportando uno shift negativo della tensione di soglia.
I dispositivi usati per applicazioni che richiedono alta potenza possono raggiungere significative temperature di giunzione come conseguenza della dissipazione in potenza, definendo così l’importanza di una corretta definizione della resistenza termica, i.e. la variazione della temperatura di giunzione in funzione della potenza dissipata. Il secondo obiettivo è dunque quello di fornire una descrizione dettagliata di diverse tecniche (DC, impulsata, infrarossi) per stimare la temperatura di canale in un HEMT e proporre, di conseguenza, un confronto tra di esse esplicitando anche i corrispondenti vantaggi e svantaggi. A differenza dell’analisi con misure DC o impulsate, l’analisi con camera a infrarossi sottostima i risultati. Per riuscire a comprendere l’effetto delle imprecisioni in un’applicazione ad alta frequenza l’analisi è stata estesa ad un amplificatore di potenza sviluppato con struttura MMIC. Si conferma la significativa sottostima del metodo infrarossi. È inoltre possibile definire il fenomeno d’interazione termica tra diversi stadi e la sua influenza nella struttura analizzata. Attraverso un’analisi dettagliata della resistenza termica è stato condotto un test HTOL sugli amplificatori di potenza, sottoponendo questi ultimi sia ad uno stress di tipo elettrico che di tipo termico e confermando il non significativo degrado quando una temperatura di giunzione inferiore a 250°C è imposta. Il confronto della variazione di tensione di soglia nel test HTOL e nel test puramente termico suggerisce che i valori di resistenza termica siano stati leggermente sottostimati.
La robustezza verso le scariche elettrostatiche è stata studiata in un amplificatore di potenza con struttura MMIC basato su una tecnologia in HEMT pseudomorfici in arseniuro di gallio, usato a livello commerciale per sistemi microonde point to point. La struttura è caratterizzata da un circuito di protezione ESD principalmente costituito da diodi Schottky in corrispondenza dei terminali di gate e circuiti risonanti agli ingressi RF. La robustezza è stata analizzata con un impulso TDR-TLP di 100ns. I risultati sono stati confermati sia da test HBM che da test MM. Non sono stati riportati guasti nelle connessioni RF e in corrispondenza dei terminali di drain fino ad una tensione di ±2 kV e ±200 V misurata rispettivamente in HBM e MM. I pad RF si rompono in corrispondenza di una corrente misurata con il TLP di 6.5-7A, risultando in un lato aperto in corrispondenza dell’induttore e in un corto circuito in corrispondenza del condensatore, entrambi appartenenti al circuito risonante di protezione. Le connessioni di gate degradano quando una tensione HBM negativa di precarica di -1kV è applicata; risultati coerenti sono riportati dalla misura MM, dimostrando degrado ad una tensione negativa di precarica pari a -75V. Il guasto è riscontrato in corrispondenza dei diodi Schottky posti in anti parallelo come struttura di protezione ESD. Le connessioni ausiliarie per incrementare le prestazioni del dynamic range risultano essere le più sensibili, con una tensione di rottura pari a ±500V e ±50V misurate rispettivamente in HBM e MM, in seguito alla rottura di resistori integrati.
La seconda parte della tesi discute i meccanismi di trapping in dispositivi AlGaN/GaN. I fenomeni di trapping, e il conseguente current collapse, risultano essere tra gli aspetti che maggiormente limitano le prestazioni RF e di potenza nei dispositivi HEMT. L’analisi è stata effettuata su dispositivi con un differente drogaggio intenzionale di Ferro nel buffer layer. Tale drogaggio è in genere utilizzato per limitare i fenomeni parassiti e di punch through. Lo scopo primo dell’analisi è definire una correlazione tra i meccanismi di trapping e l’entità di drograggio nel buffer layer. In secondo luogo si è voluto studiare e proporre una correlazione tra differenti fenomeni di degrado nel momento in cui il dispositivo è sottoposto ad uno stress di affidabilità, in termini di caratterizzazione DC, effetti di trapping e analisi di elettroluminescenza. Un confronto di tale correlazione in dispositivi con differente quantità di ferro nel buffer layer è infine proposta. I risultati ottenuti sono coerenti con studi proposti in letteratura, che correlano l’uso di drogaggio in Ferro con una trappola con energia di attivazione pari a 0.57-0.7eV.
L’analisi dimostra innanzitutto che il drogaggio in ferro determina un significativo current collapse, correlato con la presenza di una trappola (T1) presumibilmente localizzata nel buffer layer e caratterizzata da una costante di tempo pari a 3.2ms a T=40°C. La posizione della trappola è coerente con l’aumento dell’ampiezza corrispondente al variare della concentrazione di ferro nel buffer. Inoltre la trappola T1 mostra un’attivazione termica molto inferiore (0.2eV) nei dispositivi senza buffer drogato. L’ampiezza della trappola T1 in dispositivi con diversa struttura e il confronto con lavoro precedentemente esposti in letteratura suggerisce che la trappola sia dovuta ad un difetto intrinseco nel buffer layer tipico del GaN; tuttavia la sua concentrazione varia significativamente con la presenza di ferro. L’analisi dei transienti di corrente al variare del tempo di intrappolamento ci permette di ipotizzare che l’intrappolamento non sia dovuto a difetti puntuali o comunque sia dovuta a difetti puntuali ammassati vicino alle dislocazioni. Una seconda trappola, T2, è evidenziata. L’analisi delle trappola in dispositivi con differente drogaggio e il confronto con analisi gm(f) ci permette di supporre che tale trappola, con una costante di tempo di 0.25s a T=40°C, sia situata nello strato AlGaN.
I risultati ottenuti da uno stress elettrico imposto al terminale di gate in dispositivi drogati con ferro ne definiscono gli effetti principali: (i) aumento della corrente di leakage, fortemente correlato con l’aumento di hot spot nell’elettroluminescenza e, superata la tensione critica, con un aumento del current collapse. (ii) aumento del segnale associato a segnali preesistenti senza generazione di nuovi stati trappola. L’analisi, estesa a dispositivi con differente o nullo drogaggio in ferro dimostra che, se sottomessi a uno stress di affidabilità, tutti i dispositivi mostrano una variazione della corrente di leakage. Lo stress comporta inoltre un aumento del current collaspe, non correlato alla generazione di nuovi stati trappola bensì all’aumento del segnale associato alle trappole preesistenti, chiamate T1 e T2. La variazione dell’ampiezza di segnale in T2, che si presume essere nell’AlGaN, può essere connessa ad un aumento della concentrazione del difetto; la variazione di T1, che al contrario si presume essere nel buffer layer, può essere chiarita con la generazione di difetti connessi a cammini parassiti conduttivi tra il gate e il canale, generati a causa dello stress, che favoriscono il trasferimento di elettroni verso gli stati trappola.
Nell’ultima sezione si studiano nuovi materiali per migliorare le prestazioni della tecnologia GaN. Le strutture InAlN/GaN stanno diventando importanti grazie all’alta densità di portatori nel 2DEG e alla possibilità di ottenere una struttura lattice matched, migliorandone dunque la stabilità elettrica e termica. In questa tesi nuove strutture, in particolare ai contatti, sono discusse. Una prima analisi consiste nell’uso di un differente materiale per il contatto Schottky. Si propone un confronto tra HEMT InAlN/GaN con struttura identica ma differente gate, nello specifico Mo/Au e Ni/Pt/Au. Nonostante non si noti alcuna variazione significativa nell’analisi DC, la valutazione dei fenomeni di trapping mostra che l’uso di un contatto in Mo/Au mostra un miglioramento significativo nelle caratteristiche di trapping, principalmente dettata dal processo usato per la deposizione dei contatti. L’uso di un contatto in Mo/Au, come dimostrato dai risultati di uno stress in OFF state, non influenza la stabilità del dispositivo.
Una seconda analisi presenta una struttura in cui è effettuato un recesso prima della deposizione dei contatti ohmici per ridurre le resistenze parassite. Si propone un confronto tra due wafer, caratterizzati da una struttura simile e diversa quantità di drogaggio in carbonio al loro interno per limitare il fenomeno del punch through. L’analisi DC mostra una significativa variazione nel valore , mostrando che un valore minore di IDSS corrisponde a strutture con recesso ai contatti ohmici. Questo effetto è dovuto al non raggiungimento di una resistenza in zona lineare minore. L’analisi impulsata dimostra un alto valore di current collapse senza correlazione con struttura del dispositivo o presenza di recesso ai contatti ohmici. I transienti di corrente mostrano due trappole principali, T1 e T2. L’energia di attivazione, a differenza della sezione di cattura, non è influenzato dalla struttura del dispositivo o dal recesso ai contatti ohmici. I transienti di corrente, le misure gm(f) e lavori precedentemente proposti in letteratura ci permettono di ipotizzare che la trappola T1 sia situata nel buffer layer, a differenza della trappola T1 che è probabilmente sita nello strato AlGaN. Misure al variare del tempo di trapping confermano che entrambe le trappole non sono definite da difetti puntuali.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Zanoni, Enrico
Supervisor:Meneghesso, Gaudenzio and Meneghini, Matteo
Data di deposito della tesi:30 January 2014
Anno di Pubblicazione:30 January 2014
Key Words:HEMT,GaAs,GaN,poweramplifier,thermal analysis,Electrostatic Discharge,trapping,InAlN/GaN structures
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:6767
Depositato il:04 Nov 2014 15:01
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