Hybrid substrates employment for the development of Gallium Nitride HEMTs: study of reliability and failure modes

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.