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

Abstract Gallium nitride based high electron mobility transistors (HEMTs) are excellent candidates for high frequency and power applications. Due to high breakdown field, mobility, saturation velocity and thermal conductivity of GaN-based materials, HEMTs may operate at voltage and temperature ranges far beyond conventional semiconductor as Si, GaAs or InP; they also have a Baliga figure of merit many times higher and a lower resistance and hence reduced switching times and losses leading to improved effciency. Still, they are affected by (i) parasitics phenomena and (ii) reliability issues: defects and dislocations may induce high leakage currents, kink effect and soft breakdown, while, in the reliability field, hot electrons, high electric fields and power are still under investigation. In the first part of this work parasitics have been investigated. In particular, great interest has been devoted to trapping phenomena, which mainly influence the on-resistance (Ron); transient and pulsed measurements help to extrapolate useful information as location in the epilayer structure, activation energy and cross section of the traps responsible of the Ron collapse; we also studied leakage phenomena, proving that both the phenomena can be significantly reduced with the introduction of a AlGaN back-barrier layer which, thanks to the additional band offset that prevents electrons from traveling and being trapped deep into the buffer. Finally, kink effect has been characterized; main results show it becomes almost negligible when a capping layer is grown over the AlGaN barrier and a semi-insulating substrate is used. An extensive analysis of the electrical and optical properties of HEMTs biased in a non-destructive breakdown regime is the main topic of the second part. HEMTs can reach a sustainable breakdown condition with a Vg lower than the pinch-off voltage. Phenomena are mainly activated by two mechanisms, depending on the gate voltage applied: when Vg is close to the pinch-off, space charge injection of electrons occurs and a parasitic path between source and drain is formed; if a more negative voltage is applied, breakdown occurs due to electrons injection through the gate. Tests reveal that HEMTs can emit a weak electroluminescence (EL) signal: this is localized at the edge of the gate when a low current is owing; it shifts to drain edge and the intensity reaches its maximum at higher Id when breakdown conditions are met. Moreover, the breakdown has a non-monotonic dependence from the temperature; this result confirms that two different mechanisms jointly interact at high voltage levels, one dominating on the other depending on the thermal condition. Single-heterostructure (SH) has a soft breakdown due to a poor ability to confine electrons into the channel and the consequent punch-through, independently from the gate to drain distance (Lgd). Many approaches have been successfully tested in order to improve the breakdown voltage (BV): GaN buffer doped with C or Fe, application of double-heterostructure (DH) epitaxy and devices with an AlGaN back-barrier grown on a doped buffer. These solution efficiently increase the BV, which also becomes dependent from Lgd distance with a slope that ranges from 30 V/um to 50 V/um. The third part deals with reliability issues. Results of accelerated life tests show that in SH devices a quick degradation of the electrical properties is visible in off-state even at low drain voltage biasing condition: the punch-through leakage path increases defects formation, causing a strong device degradation even in short life tests. DH devices present improved reliability due likely to (i) lower leakage currents (ii) less sub-surface DIBL (iii) higher breakdown values. The last section is devoted to the NPI Project. The purpose of the third placement has been the analysis of the performances and of the reliability behavior of GH25 technology. DC measurements show that technology process is quite mature: low off-state and leakage currents, good output current and very few devices with non-standard behavior. Still, the devices suffer from kink effect as confirmed by pulsed measurements; moreover, pulsed characterization enlightens a consistent trapping phenomena, the current collapse being 30%, mainly related to traps under the gate into the buffer. Maximum gain available MAG analysis from RF tests reveals that the source terminated field plate (STFP) positively increases the gain, thanks to an extended depletion region that reduces current lag due surface effects. The application of the field plate brings an additional capacitance, affecting the cross-over frequency which shifts from 25GHz to 20GHz. Current controlled breakdown measurements enlightened how, when a high Vd is applied, a parasitic paths between source and drain is formed due to sub-surface DIBL (punch-through). The critical voltage which the phenomena take place at depends from many factors: (i) the longer the gate drain distance is, the less the punch-through is likely to occur (ii) it shifts toward lower voltages when increasing Vg due to the reduction of the depletion region under the gate (iii) STFP seems to have no meaningful effects. These results seems to be related with those obtained from off-state step stress, where a fast degradation of the gate takes place for Vd higher than 70 V until sub-surface DIBL occurs; when a parasitic source-drain channel is formed, the degradation rate reduces significantly because most of the current is sustained by the source. The only relevant visible change is the increase in off-state and leakage currents and parameters. A comparison with breakdown test results suggests that the cause may be the same described for current controlled breakdown. Life tests have been carried out selecting three different biasing conditions (i) with high current and low field (Id = 660mA/mm, Vd = 10V), (ii) high field and low current (Id = 5mA/mm, Vd = 60V), and (iii) class A bias point (Id = 400mA/mm, Vd = 30V) at 423K to assess the reliability along the load line. Class A results show a fast degradation of the output current and a steep increase of on-resistance within 100 hours; similar results are visible when the sample is biased at high current and low voltage, even if at a much lower degree. When the device is biased at high voltage and low currents, only a small decrease of output characteristic is reported; on the other hand, both off-state and leakage currents significantly increase. The Class A condition is the worst working condition. The degradation can be caused (i) by high power and visible only when both high voltage and high current are applied (ii) by high temperature to which both the power dissipation and the high temperature jointly contribute. Additional tests at room temperature could help to understand the failure mechanisms.

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.