Open issues in GaN-based HEMTs: performances, parasitics and reliability

Sommario Gli High Electron Mobility Transistor (HEMTs) sono eccellenti candidati per applicazioni ad alta frequenza e di potenza. Grazie all'alta tensione di breakdown, alle elevate mobilità, velocità di saturazione, e conducibilità termica dei materiali basati su nitruro di gallio, gli HEMTs possono operare ad elevate tensioni e a temperature di gran lunga superiori a quelle dei semiconduttori convenzionali, quali silicio Si, arsenuro di gallio GaAs o fosfuro d'indio InP; denotano inoltre una Baliga's figure of merit di diversi ordini superiore e una minore resistenza con la conseguenza di ridotti tempi di transizione e perdite parassite molto inferiori che consentono una maggior efficienza. Tuttavia sono affetti da (i) fenomeni parassiti transitori che causano instabilità e (ii) problematiche legate all'affidabilità: impurità, difetti e dislocazioni possono indurre elevate correnti di perdita, effetto kink e basse tensioni di rottura mentre, per quanto concerne l'affidabilità, gli effetti degenerativi correlati a elettroni ad alta energia (chiamati anche hot electrons), o dipendenti dagli elevati campi elettrici a cui i dispositivi vengono sottoposti o dalla potenza sono ancora oggetto di studio al fine di identificare i meccanismi e le leggi di degradazione. La prima parte di questo lavoro è stata dedicata all'analisi dei fenomeni parassiti. In particolare la maggior attenzione è stata dedicata ai fenomeni di trapping, che tendono ad influenzare soprattutto la Ron; l'uso di tecniche quali lo studio dei transienti e le misure impulsate si rivelano molto utili per raccogliere informazioni come la distribuzione spaziale all'interno della struttura dei dispositivi, l'energia di attivazione e la sezione di cattura responsabili del collasso della resistenza in on-state; anche le correnti di perdita sono state oggetto di studio che ha provato come l'uso di strutture alternative con per esempio, l'introduzione di uno back-barrier layer in AlGaN, grazie alla presenza di un band-gap aggiuntivo all'interfaccia con il GaN channel layer che impedisce agli elettroni di spostarsi in profindità nel buffer layer e di rimanere intrappolati o muoversi verso regioni a potenziale differente, cosentono di ridurre in modo significativo le correnti di perdita. Infine, è stata portata avanti una caratterizzazione delle proprietà del kink: i risultati evidenziano come l'uso di un substrato altamente resistivo e la deposizione di un capping layer in GaN sopra la barriera di AlGaN rendano l'effetto trascurabile. Una dettagliata analisi delle proprietà elettriche ed ottiche di dispositivi HEMTs polarizzati in condizioni di breakdown sostenibile costituisce l'argomento principale della seconda parte. Gli HEMTs possono essere polarizzati in condizioni di breakdown non distruttivo se la tensione di gate Vg è inferiore alla tensione di pinch-off. Il fenomeno viene attivato nella maggior parte dei casi considerati da due meccanismi, a seconda della tensione applicata al contatto di gate. Quando la tensione Vg è vicina alla condizione di pinch-off, ha luogo l'iniezione di portatori nella regione di carica spaziale e si ha la formazione di un canale conduttivo parassita che consente il flusso di corrente tra source e drain; se la tensione al gate viene ridotta, la formazione del canale è meno probabile, e il breakdown avviene a causa dell'iniezione di carica attraverso il gate. I tests mostrano inoltre che in condizioni di breakdown gli HEMT possono emettere un debole segnale di elettroluminescenza: quest'ultimo è localizzato lungo il bordo del gate quando la corrente che fluisce è molto bassa; ma si sposta verso il bordo del drain e il segnale diventa più intenso quando la Id raggiunge le condizioni di breakdown sostenibile. Inoltre, il breakdown mostra un comportamento non monotonico in funzione della temperatura, il che conferma la coesistenza di due differenti meccanismi che interagiscono alle alte tensioni, l'uno dominando sull'altro o viceversa a seconda delle condizioni di polarizzazione. La singola eterostruttura è soggetta a breakdown già a basse tensioni (35 V) a causa della scarsa capacità di confinare gli elettroni all'interno del canale, indipendentemente dalla distanza gate-drain. Molte soluzioni alternative sono state testate con successo nel tentativo di migliorare il breakdown: dispositivi con buffer GaN drogato con ferro Fe o carbonio C, l'applicazione di doppie eterostrutture e infine strutture con una back-barrier AlGaN cresciuta su buffer GaN drogato. Queste soluzioni si sono rivelate efficienti nel migliorare il breakdown, che è risultato dipendere anche dalla distanza gate-drain. La terza ed ultima parte è dedicata all'affidabiltà dei dispositivi. I risultati dei tests di vita accelerata mostrano che nei dispositivi a singola eterostruttura si riscontra una rapida degradazione delle caratteristiche elettriche in off-state anche in condizioni di basse tensioni: il punch-through causa la formazione di difetti aggiuntivi che ne minano l'affidabilità. Al contrario, i dispositivi in doppia eterostruttura mostrano una migliore affidabilità grazie a (i) correnti di perdita molto inferiori (ii) ridotta probailità di punch-through, che ha solitamente luogo ad alte tensioni (iii) tensioni di breakdown molto piu elevate. Nell'ultima sezione si è dato spazio al progetto NPI in collaborazione con l'ESA, con lo studio delle caratteristiche dei GH25. La caratterizzazione DC ha mostrato una tecnologia matura, anche se ancora soggetta a fenomeni di instabilità come il kink e il current collapse (30%). L'uso di field plates ha efficacemente migliorato il MAG al costo di una ridotta frequenza di cross-over, e nei test per il breakdown si è rivelato trascurabile. I dati ottenuti nei test in off-state hanno mostrato una ridotta degradazione delle caratteristiche elettriche, fino al raggiungimento di una tensione critica che, confrontata con i risultati del breakdown, suggerisce che la possibile causa di rottura sia ancora il punch-through. I life test condotti a 423K hanno purtroppo evidenziato come il punto di lavoro in classe A presenti una assai rapida e significativa degradazione dei dispositivi. Due possibili cause sono state considerate: la degradazione puo essere dovuta a (i) elevata potenza (ii) elevata temperatura del dispositivo a cui contribuisce la condizione di polarizzazione. Ulteriori test a temperatura ambiente potrebbero essere d'aiuto nell'identificare il meccanismo coinvolto.