An investigation of defects and reliability issues on Gallium Nitride devices

L'argomento esposto in questa tesi riguarda uno studio approfondito di dispositivi su eterostruttura AlGaN/GaN. Questo lavoro puo’ essere suddiviso in due argomenti principali: la prima parte riguarda lo studio di trappole e difetti e il loro effetto sulle prestazioni del dispositivo; la seconda parte e’ invece dedicata allo studio dell'affidabilita’ di questo tipo di dispositivi. L'analisi degli effetti trappola e’ basata sulla misurazione impulsata della caratteristica di uscita e della transconduttanza del dispositivo in esame. Le misure eseguite su transistor con diversa composizione dell'elettrodo di gate (Ni/Au/Ni o ITO) e presenza o assenza dello strato di passivazione hanno mostrato come questa tecnica puo’ essere utilizzata come rapido e valido sistema per distinguere tra gli effetti di trappole presenti nella regione sottostante il gate e quelli di trappole nella regione di accesso gate - drain. In dettaglio si e’ visto che dispositivi non passivati presentano una diminuzione del picco della transconduttanza, fenomeno riconducibile alla presenza di trappole superficiali; mentre nel caso di variazione della tensione di soglia (dispositivi con elettrodo di gate in ITO) le trappole sono localizzate nella regione al di sotto del contatto di gate. La presenza di trappole sotto il contatto in ITO e’ stata inoltre confermata da misure di capacita’ vs. tensione a bassa frequenza. Le misure impulsate sono state poi messe in relazione con le misure di elettroluminescenza effettuate sui transistor: questo confronto ha mostrato come le trappole presenti nel dispositivo limitino il massimo campo elettrico tra gate e drain e quindi l'intensita’ della radiazione emessa. Questa metodologia e’ stata poi applicata per l'analisi di dispositivi GaN su silicio caratterizzati da identica lunghezza del contatto di gate ma diversa ampiezza del recesso di gate. Dai risultati ottenuti si puo’ vedere che le prestazioni migliori, in termini di dispersione in frequenza e massimo campo elettrico, si hanno nei dispositivi con recesso piu’ piccolo. L'analisi dei difetti presenti nei dispositivi su GaN e’ stata effettuata anche per mezzo di misure di rumore a bassa frequenza. Lo scopo di questa parte di attivita’ era di trovare una correlazione tra il livello di rumore misurato e le caratteristiche elettriche del dispositivo (in particolare il breakdown). Diversi dispositivi sono stati testati (transistor e transmission line model - TLM) con differenti tecnologie di realizzazione (percentuale di alluminio, temperatura di processo, composizione dell'elettrodo dei contatti ohmici). Una correlazione rumore del canale conduttivo e breakdown non e’ stata trovata; mentre le misure sulle TLM hanno mostrato un possibile legame tra rumore e resistenza specifica del contatto ohmico. L'affidabilita’ dei dispositivi è stata studiata per mezzo di prove di stress a breve (2 min step - stress) e lungo termine (1000 hour). Lo stress a lungo termine e’ stato eseguito su dispositivi AlGaN/GaN processati su substrato composito di tipo SopSiC sviluppato nell'ambito del progetto europeo HYPHEN. Questi substrati sono realizzati tramite il trasferimento di un sottile strato di Silicio monocristallino su uno strato piu’ spesso di Carburo di Silicio policristallino, il loro scopo e’ di rappresentare una valida ed economica alternativa ai substrati in Carburo di Silicio monocristallino. Per questo esperimento sono state individuate tre condizioni a differente polarizzazione e temperatura; i risultati finali presentano una buona stabilita’ dei dispositivi ed inoltre mostrano come i problemi riscontrati durante il test siano riconducibili agli elevati livelli di corrente di perdita del gate. Il degrado dei dispositivi e’ quindi strettamente legato alla tecnologia del processo utilizzato per la realizzazione del transistor e non e’ legata alla natura del substrato. Per quanto riguarda la prova di stress accelerato, si e’ studiato l'effetto sulle prestazioni del dispositivo di elevate tensioni negative applicate al contatto di gate. Questo tipo di test solitamente porta all'individuazione di una tensione critica oltre la quale si verifica un brusco aumento della corrente di gate. Nella letteratura scientifica questo fenomeno e’ indicato come effetto piezoelettrico inverso (inverse piezoelectric effect) ed e’ associato alla creazione di difetti nel reticolo cristallino sottoposto a sollecitazione durante lo stress. Lo studio si e’ basato su un wafer con differenti metallizzazioni di gate (Ni/Au/Ni, ITO, Ni/ITO) e con passivazione dei dispositivi. I risultati ottenuti suggeriscono che la tensione critica non sia legata solo alla tensione che si induce nel reticolo; infatti anche il livello iniziale della corrente di perdita del gate sembra giocare un ruolo nel processo di degradazione. Inoltre l'evoluzione del degrado durante il test sembra indicare che il processo di invecchiamento avvenga per filtrazione dei difetti all'interno della barriera di AlGaN (percolation process)