Thermal and electrical stability assessment of AlGaN/GaN Metal-Oxide-Semiconductor High Electron Mobility Transistors (MOS-HEMT) with HfO2 gate dielectric.

AlGaN/GaN HEMTs and MOS-HEMTs using HfO2 as gate dielectric have been analyzed at room temperature, after STA and TC test, during off-state electrical step stress, HTRB and PBTI tests. Results showed that the leakage current in as-fabricated MOS-HEMTs decreased by 106 and the on/off ratio increased by over 104 than the HEMTs. Moreover, it was even higher after a STA test, up to 108, in the MOS-HEMTs, and the surface trapping effects were mitigated, especially if a KOH cleaning was used before HfO2 deposition. The MOS-HEMTs also showed higher electrical stability after off-state step electrical stress, HTRB and PBTI tests.pre-print732 K

Gallium nitride high electron mobility transistors in chip scale packaging: evaluation of performance in radio frequency power amplifiers and thermomechanical reliability characterization

2017 Summer.Includes bibliographical references.Wide bandgap semiconductors such as Gallium Nitride (GaN) have many advantages over their Si counterparts, such as a higher energy bandgap, critical electric field, and saturated electron drift velocity. These parameters translate into devices which operate at higher frequency, voltage, and efficiency than comparable Si devices, and have been utilized in varying degrees for power amplification purposes at >1 MHz for years. Previously, these devices required costly substrates such as sapphire (Al2O3), limiting applications to little more than aerospace and military. Furthermore, the typical breakdown voltage ratings of these parts have historically been below ~200 V, with many targeted as replacements for 50 V Si LDMOS as used in cellular infrastructure and industrial, scientific, and medical (ISM) applications between 1 MHz and 1 GHz. Fortunately within the past five years, devices have become commercially available with attractive key specifications: GaN on Si subtrates, with breakdown voltages of over 600 V, realized in cost effective chip scale packages, and with inherently low parasitic capacitances and inductances. In this work, two types of inexpensive commercially available AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) in chip scale packages are evaluated in a set of three interconnected experiments. The first explores the feasibility of creating a radio frequency power amplifier for use in the ISM bands of 2 MHz and 13.56 MHz, at power levels of up to 1 kW, using a Class E topology. Experiments confirm that a DC to RF efficiency of 94% is easily achievable using these devices. The second group of experiments considers both the steady state and transient thermal characterization of the HEMTs when installed in a typical industrial application. It is shown that both types of devices have acceptable steady state thermal resistance performance; approximately 5.27 °C/W and 0.93 °C/W are achievable for the source pad (bottom) cooled and top thermal pad cooled device types, respectively. Transient thermal behavior was found to exceed industry recommended maximum dT/dt by over 80x for the bottom cooled devices; a factor of 20x was noted with the top cooled devices. Extrapolations using the lumped capacitance method for transient conduction support even higher initial channel dT/dt rates. Although this rate of change decays to recommended levels within one second, it was hypothesized that the accumulated mechanical strain on the HEMTs would cause early life failures if left uncontrolled. The third set of experiments uses the thermal data to design a set of experiments with the goal of quantifying the cycles to failure under power cycling. It is confirmed that to achieve a high number of thermal cycles to failure as required in high reliability industrial systems, the devices under test require significant thermal parameter derating to levels on the order of 50%

Méthodes et analyses physico-expérimentales des mécanismes liés à la résistance dynamique dans les composants HEMT GaN de puissance

Pour contrôler le flux d'énergie électrique de la source à la charge, l'électronique de puissance constitue un des éléments phares dans l'acheminement de cette énergie. La gestion et la conversion de cette énergie électrique nécessitent des convertisseurs de puissance efficaces, basés sur des interrupteurs présentant des performances élevées en commutation et en conduction, à haute puissance et haute fréquence. Bien que les dispositifs à base de silicium dominent depuis longtemps l'électronique de puissance, les propriétés physiques de ce matériau limitent les performances des dispositifs en termes de température maximale d'opération, de tension de claquage, de résistance à l'état passant et de vitesse de commutation. La recherche des matériaux prometteurs présentant des performances supérieures à celles du silicium est donc nécessaire. Le nitrure de gallium (GaN) est l'un des matériaux qui permet, grâce à ses propriétés physiques, de répondre aux exigences de fabrication des convertisseurs de puissance. En outre, le transistor à haute mobilité électronique (HEMT) à hétérostructure AlGaN/GaN est un composant qui contribue à l'innovation des technologies de conversion de puissance. Cependant, de nombreux problèmes de fiabilité affectent les performances électriques de ces dispositifs et nécessitent un effort d'analyse et de compréhension. Les contributions du présent travail s'inscrivent précisément dans ce domaine. La caractérisation de la résistance à l'état passant de ce transistor, qui est un problème critique, est nécessaire pour comprendre la dynamique de certains phénomènes tels que le piégeage. Dans ce travail, on s'intéresse tout particulièrement à la caractérisation des effets du piégeage induit par des défauts qui peuvent exister dans les différentes couches de la structure. Nous proposons une nouvelle méthodologie générale de mesure permettant d'obtenir des résultats fiables et reproductibles et montrant l'importance de maîtriser les conditions initiales avant chaque mesure. Les phénomènes dynamiques sont caractérisés à l'aide des mesures du courant en fonction du temps, réalisées sur des structures TLM issues de différents lots technologiques, sous stimulations électrique et/ou optique. Deux méthodes de caractérisation de ces défauts sont ainsi proposées. Le but de la première est de stresser le dispositif par une tension négative appliquée sur le substrat pour stimuler les défauts présents entre ce dernier et le canal 2DEG, alors que la deuxième consiste à illuminer le dispositif sous test par une source lumineuse dont l'énergie de photon correspondante est choisie de façon à ce qu'elle n'affecte que les pièges présents dans les matériaux. L'effet de l'illumination sur les résistances de contact est ensuite étudié, montrant une contribution non négligeable de ces résistances dans la résistance totale et mettant ainsi en évidence, pour la première fois, que la dynamique de la résistance à l'état passant peut-être due non seulement à des phénomènes dans le canal 2DEG mais également à des phénomènes au niveau des contacts ohmiques. Ensuite, afin d'étudier certains mécanismes de piégeage/dépiégeage, des traitements numériques, en une décomposition en somme d'exponentielles, des mesures de relaxation du courant en fonction du temps ainsi que de la variation de la résistance relative avec un modèle de deux résistances en série sont proposés. Les résultats obtenus confirment que l'analyse des transitoires est un problème difficile et que les solutions à ces problèmes ne sont pas uniques. Pour affiner ces résultats, il sera donc sans doute nécessaire d'obtenir les énergies d'activation des pièges présents par d'autres méthodes, comme la DLOS.To control the flow of electrical energy from source to load, power electronics is one of the key elements for the management of this energy. Managing and converting electrical energy requires efficient power converters, based on switches exhibiting high switching and conduction performance, at high power and high frequency. Although silicon-based devices have dominated power electronics for long time, the physical properties of this material limit the performance of these devices in terms of maximum operating temperature, breakdown voltage, dynamic On-state resistance and switching speed. The search for promising materials exhibiting superior performance compared to silicon is therefore contemplated. Gallium nitride (GaN) is one of the materials that, thanks to its physical properties, meet the manufacturing requirements of power converters. Furthermore, the AlGaN/GaN heterostructure high electronic mobility transistor (HEMT) is one a power device that contributes to the innovation in power conversion technologies. However, many reliability issues affect the electrical performance of these devices and require efforts of analysis and understanding. The contributions of this work fit precisely in this topic. The characterization of the dynamic On-state resistance of GaN HEMT transistors, which is a critical problem, is necessary to understand the dynamics of certain phenomena such as trapping. In this work, we focus on characterizing the effects of trapping induced by defects that may exist in the different layers of the structure. We propose a new general measurement methodology allowing reliable and reproducible results and showing the importance of mastering the initial conditions before each measurement. These dynamic phenomena are characterized using current measurements as a function of time, realized on TLM structures coming from different technological batches, under electrical and/or optical stimulations. Two characterization methods of these defects are proposed. The purpose of the first method is to stress the device by a negative voltage applied to the substrate to stimulate the defects located between the 2DEG channel and the substrate, while the second one consists in illuminating the device under test with a light source whose corresponding photon energy is chosen to affect only the traps present in the materials. The effect of the illumination on the contact resistances is then studied, showing a non-negligible contribution of these resistances in the total resistance and thus highlighting, for the first time, that the degradation of the dynamic on-state resistance may be due not only to phenomena in the 2DEG channel but also to phenomena at the ohmic contacts. Then, in order to study certain trapping/de-trapping mechanisms, numerical treatments, consisting of the decomposition into a sum of exponentials, are developed to process the relaxation measurements of the current as a function of time. The variation of the relative resistance with a model of two resistances in series is also discussed. The results obtained confirm that the analysis of transients is a difficult problem and that the solutions to these problems are not unique. To refine these results, it will be therefore necessary to obtain the activation energies of the traps presents by other methods, such as DLOS

Modélisation et caractérisation de capteurs mécaniques intégrés à base d'hétérostructures AlGaN/GaN pour les environnements hostiles

ISBN : 978-2-84813-181-8Some industrial areas as oil, automotive and aerospace industries, require electromechanical systems working in harsh environments. An elegant solution is to use III-V materials alloys having semiconductor, piezoelectric and pyroelectric properties. These materials, particularly nitrides such as GaN or AlN, enable design of advanced devices suitable for harsh environment. By using free-standing structure coupled with sensing HEMT transistors that are stable at high temperatures, it is possible to obtain mechanical sensors suitable for harsh environments. This PhD thesis focuses on a cantilever-based strain sensor and a drumskin-based pressure sensor. Analytical models of both sensors have been developed and establish the feasibility of the sensing principle as well as its response linearity. The characterization tests of fabricated prototypes validate the possibility of measuring external mechanical load with both sensors. The linearity of the response has also been confirmed by experimental measurements. The experimental sensitivity is smaller than the theoretical one due to several parasitic effects not included in the model such as parasitic resistance and variable piezoresisitive effects.Certains domaines d'applications tels que l'aérospatial, l'automobile ou le forage de haute profondeur peuvent nécessiter la visualisation de certains paramètres physiques dans des environnements hostiles. Les capteurs microélectroniques basés sur le silicium y atteignent souvent leurs limites, qui sont qualifiées de conditions " sévères ". Ce travail se base principalement sur l'étude de solutions de capteurs mécaniques fonctionnant en conditions sévères. Le principe de ces capteurs repose sur l'exploitation de transistors de mesures HEMT à base de nitrures III-V (III-N), à la fois piézoélectriques et semiconducteurs, qui reste stable en conditions sévères. La compréhension des interactions entre physique des semiconducteurs et physique des matériaux ainsi que la caractérisation de structures possibles pour la détection mécanique représentent les principaux enjeux de ce sujet de thèse. La modélisation mécanique analytique et numérique des structures étudiées a permis d'appréhender le comportement de structures piézoélectriques multicouches. Le couplage de ce modèle électromécanique avec un modèle électronique du capteur a permis d'établir la faisabilité du principe de détection ainsi que la linéarité de la réponse du capteur. La caractérisation des prototypes réalisés en cours de thèse ont corroboré la linéarité du capteur tout en faisant apparaître l'influence de nombreux effets parasites réduisant sa sensibilité à savoir les effets de résistance parasites et de piézorésistances variables

Modélisation et caractérisation de capteurs mécaniques intégrés à base d'hétérostructures A1GaN/GaN pour les environnements hostiles

Certains domaines d'applications tels que l'aérospatial, l'automobile ou le forage de haute profondeur peuvent nécessiter la visualisation de certains paramètres physiques dans des environnements hostiles. Les capteurs microélectroniques basés sur le silicium y atteignent souvent leurs limites, qui sont qualifiées de conditions sévères . Ce travail se base principalement sur l'étude de solutions de capteurs mécaniques fonctionnant en conditions sévères. Le principe de ces capteurs repose sur l'exploitation de transistors de mesures HEMT à base de nitrures III-V (III-N), à la fois piézoélectriques et semiconducteurs, qui reste stable en conditions sévères. La compréhension des interactions entre physique des semiconducteurs et physique des matériaux ainsi que la caractérisation de structures possibles pour la détection mécanique représentent les principaux enjeux de ce sujet de thèse. La modélisation mécanique analytique et numérique des structures étudiées a permis d'appréhender le comportement de structures piézoélectriques multicouches. Le couplage de ce modèle électromécanique avec un modèle électronique du capteur a permis d'établir la faisabilité du principe de détection ainsi que la linéarité de la réponse du capteur. La caractérisation des prototypes réalisés en cours de thèse ont corroboré la linéarité du capteur tout en faisant apparaître l'influence de nombreux effets parasites réduisant sa sensibilité à savoir les effets de résistance parasites et de piézorésistances variables.Some industrial areas as oil, automotive and aerospace industries, require electromechanical systems working in harsh environments. An elegant solution is to use III V materials alloys having semiconductor, piezoelectric and pyroelectric properties. These materials, particularly nitrides such as GaN or AlN, enable design of advanced devices suitable for harsh environment. By using free-standing structure coupled with sensing HEMT transistors that are stable at high temperatures, it is possible to obtain mechanical sensors suitable for harsh environments. This PhD thesis focuses on a cantilever-based strain sensor and a drumskin-based pressure sensor. Analytical models of both sensors have been developed and establish the feasibility of the sensing principle as well as its response linearity. The characterization tests of fabricated prototypes validate the possibility of measuring external mechanical load with both sensors. The linearity of the response has also been confirmed by experimental measurements. The experimental sensitivity is smaller than the theoretical one due to several parasitic effects not included in the model such as parasitic resistance and variable piezoresisitive effects.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF