Characterization of Charge Trapping Phenomena in GaN-based HEMTs

Sfruttando le proprietà fisiche dei III-nitruri, fra cui l’ampio band-gap (3.4 eV per il GaN), i dispositivi basati su eterostrutture AlGaN/GaN sono devoti per applicazioni ad alta potenza ed alta frequenza, sia per sistemi a microonde (radar, comunicazioni satellitari, base-station, etc.), sia per sistemi di conversione dell’energia elettrica (ad esempio, convertitori buck/boost). Tuttavia, a causa della complesse condizioni di crescita epitassiale (legate intrinsecamente alla natura dei materiali III-nitruri), gli strati epitassiali presentano una difettosità cristallografica ed una concentrazione di stati-trappola relativamente alta. Questo si traduce nella presenza di meccanismi parassiti, intrappolamento di carica e correnti di leakage, potenzialmente pericolosi sia per le prestazioni dinamiche, sia per l’affidabilità a lungo termine dei dispositivi. Per effettuare una caratterizzazione esaustiva dei fenomeni parassiti ed individuarne quindi le cause, le tecniche di caratterizzazione impiegate sono l’analisi delle caratteristiche ID-VD, ID-VG, e IG-VG statiche ed impulsate, e la spettroscopia dei livelli profondi (DLTS, Deep-Levels Transient Spectroscopy). I risultati originali salienti ottenuti nel corso dei tre anni di attività di ricerca sono riportati in questa Tesi di Dottorato sono riportati in seguito: • Sviluppo di un sistema di misura impulsato ad alta tensione (fino a 600V), fondamentale per lo studio delle caratteristiche dinamiche di dispositivi destinati ad operare in regimi di alta tensione (> 100 V). Tramite l’impiego di generatori di forme d’onda, amplificatori di potenza, sonda differenziale ad alta-tensione, ed oscilloscopio, è stato istallato un banco misura in grado di eseguire la caratterizzazione Double-Pulse I-V e la spettroscopia dei livelli profondi tramite l’acquisizione nel dominio del tempo della corrente di drain eseguita a diverse temperature. Il sistema permette una finestra di acquisizione temporale compresa fra 1 µs e 100 s per misure fino a 200V e fra 20 µs e 100s per misure fino a 600V. • Definizione di un protocollo di caratterizzazione per ottenere informazioni sulla localizzazione degli stati trappola all’interno della struttura epitassiale, e sull’identificazione dei meccanismi che provocano i fenomeni di intrappolamento. Il protocollo include (i) l’analisi delle correnti di leakage proveniente dai 3 terminali (gate, source e substrato), (ii) l’analisi della subthreshold-slope e dei fenomeni di canale corto (DIBL e subthreshold leakage), (iii) l’analisi degli effetti dei meccanismi di intrappolamento sui parametri elettrici dinamici (spostamento della tensione di soglia e degrado della transconduttanza), e (iv) l’analisi dei livelli profondi e la comparazione con un database che raccoglie i dati pubblicati in letteratura. • Individuazione di un meccanismo di trapping promosso dalla corrente di leakage di gate. Questo meccanismo è critico durante il funzionamento OFF-state in dispositivi che impiegano gate realizzati tramite giunzione Schottky metallo-semiconduttore. • Individuazione di un meccanismo di trapping promosso da elettroni caldi. Questo meccanismo è critico durante il funzionamento SEMI-ON-state, nel quale sono presenti contemporaneamente alti livelli di campo elettrico e alti livelli di corrente di canale. • Individuazione di un meccanismo di intrappolamento localizzato nel buffer, e causato potenzialmente dal campo elettrico verticale generato fra drain e substrato. Questo meccanismo è critico durante il funzionamento ad alta tensione ed alta temperatura in dispositivi realizzati su substrati in silicio (scarsamente isolanti). • Individuazione di stati trappola strettamente correlati alla presenza di agenti droganti (Ferro e Carbonio) all’interno degli strati GaN buffer. I livelli profondi introdotti dal processo di drogaggio sono il livello EC - 0.6 eV per il Ferro, e i livelli EC - 0.8 eV ed EV + 0.9 eV per il Carbonio. • Individuazione di un meccanismo di trapping dovuto all’intrappolamento di carica negli strati isolanti nelle tecnologie MIS-HEMT. Durante il funzionamento ON-state, con il gate polarizzato con tensioni fortemente positive, elettroni vengono intrappolati nei difetti di interfaccia o dell’ossido promuovendo forti variazioni della tensione di soglia. Lo sviluppo di strati dielettrici con bassa concentrazione di stati trappola è un punto chiave per il successo della tecnologia MIS-HEMT. • Sintesi preliminare di un meccanismo di degrado probabilmente promosso da fenomeni di canale corto e correnti parassite di sotto-soglia, le quali provocano la generazione di difetti cristallografici, il peggioramento dei fenomeni di intrappolamento di carica e il relativo peggioramento delle performance RF.