Reliability analysis of GaN HEMT for space applications and switching converters based on advanced experimental techniques and two dimensional device simulations

Il nitruro di gallio è un promettente materiale a semiconduttore con ampio energy gap. Tramite dispositivi bastai su GaN è possibile raggiungere frequenze operative e densità di potenza maggiori in confronto al silicio. Il primo transistor HEMT (High Electron Mobility Transistor) basato su GaN è stato sviluppato nel 1995, e dopo vent'anni questa tecnologia inizia ad essere pronta a competere sul mercato con dispositivi basati su silicio. Ci sono diversi motivi per cui è servito del tempo per ottenere una tecnologia stabile. A differenza del silicio, non è possibile crescere cristalli di nitruro di gallio partendo da un seme, non almeno con costi, qualità e dimensioni ragionevoli. Perciò è necessario crescere il nitruro di gallio su substrati diversi, come il carburo di silicio, lo zaffiro o il silicio. Perciò, i cristalli ottenuti hanno una concentrazione di difetti che limita le prestazioni dei dispositivi. Con l'ottimizzazione del processo e l'introduzione di un adeguato strato di transizione, detto nucleation layer, è possibile ottenere dei wafer con una difettività tollerabile. Il problema principale introdotto dai difetti sono gli stati trappola e questioni di affidabilità. Gli stati trappola danno problemi durante il funzionamento dei transistor, creando un calo temporaneo della caratteristica di uscita. Oltre a questo fenomeno temporaneo gli HEMT basati su GaN presentano problemi di affidabilità, ampiamente studiati in passato. Al giorno d'oggi il tempo di vita medio stimato delle ultime generazioni di transistor permette la produzione di dispositivi elettronici sia per il settore commerciale che per applicazioni spaziali. In questo lavoro sarà presentato un riassunto delle attività di ricerca svolte durante il dottorato. Nella prima parte è presentato un riepilogo dello stato dell'arte della tecnologia GaN-HEMT. Negli ultimi due anni in letteratura sono stati dimostrati nuovi risultati, rivelando un notevole miglioramento tecnologico. Verrà poi presentato un breve riassunto sui fenomeni di trapping e sull'affidabilità, che risulterà fondamentale per comprendere al meglio i risultati ottenuti. Le attività di ricerca hanno coinvolto le due applicazioni principali dei transistor GaN-HEMT: i dispositivi RF e i transistor di potenza. Per applicazioni RF il transistor è usato come amplificatore, in un range di frequenze tra 1 GHz e 100 GHz. Le applicazioni principali sono radar e telecomunicazioni per telefonia mobile, radio e satellitare. Ho collaborato in un progetto dell'Agenzia Spaziale Europea dal titolo: “Preliminary Validation of Space Compatible Foundry Processes”. Verranno presentati i risultati della valutazione dell'affidabilità svolta in questo progetto. Lo scopo era di validare la tecnologia GaN-HEMT per applicazioni spaziali, provando a stimare il tempo di vita dei dispositivi e i meccanismi di guasto. Vedremo come la tecnologia analizzata sia stabile, con un tempo di vita stimato che oltrepassa i vent'anni. Ciò nonostante, non sono ancora chiari tutti i meccanismi di guasto, ma è stata trovata qualche caratteristica tipica del degrado legata alla metallizzazione di gate. Dal lato dei transistor di potenza verranno riportati prima i risultati ottenuti nella collaborazione con ON Semiconductor, nello sviluppo di dispositivi MISHEMT normally-on. Il nostro ruolo era di dare un feedback all'azienda riguardo alle performance dei dispositivi, in particolare in termini di resistenza in on-state. Questo rappresenta infatti uno dei problemi maggiori dei transistor GaNHEMT che lavorano in condizioni switching ed è dovuto a fenomeni di trapping. Poi, è stato sviluppata una nuova procedura di misura che permette di testare i dispositivi in condizione vicine a quelle operative. Questo nuovo setup è stato d'aiuto per dimostrare l'eccezionale stabilità delle ultime generazioni di transistor. Ora questa tecnologia è pronta per lavorare a 600 V con prestazioni migliori di quelle del silicio. La seconda parte relativa ai dispositivi di potenza parlerà del lavoro svolto presso il Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Hochfrequenztechnik (FBH), a Berlino. L'obiettivo principale era quello di investigare l'affidabilità dei dispositivi p-GaN sviluppati presso il centro di ricerca, tramite stress in on-state a lungo termine. La corrente di leakage di gate è sospettata di essere uno dei problemi principali per l'affidabilità di questo tipo di dispositivi in on-state. Tuttavia, non ci sono tanti lavori in letteratura che analizzano il problema, e si vedrà come i test svolti aiutano a consolidare uno dei modelli proposti. In questa analisi è stato fondamentale il ruolo delle simulazioni, a cui è stato riservato un capitolo a parte. Le simulazioni sono state di grande aiuto nella comprensione dei meccanismi di guasto e hanno permesso di avere una visione completa dei meccanismi di conduzione e dei punti deboli del dispositivo. In questo modo possono essere date informazioni essenziali a chi sviluppa i transistor, in particolare quali sono le regioni del dispositivo che andrebbero migliorate.