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%

Addressing thermal and environmental reliability in GaN based high electron mobility transistors

AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) have appeared as attractive candidates for high power, high frequency, and high temperature operation at microwave frequencies. In particular, these devices are being considered for use in the area of high RF power for microwave and millimeter wave communications transmitter applications at frequencies greater than 100 GHz and at temperatures greater than about 150 °C. However, there are concerns regarding the reliability of AlGaN/GaN HEMTs. First of all, thermal reliability is the chief concern since high channel temperatures significantly affect the lifetime of the devices. Therefore, it is necessary to find the solutions to decrease the temperature of AlGaN/GaN HEMTs. In this study, we explored the methods to reduce the channel temperature via high thermal conductivity diamond as substrates of GaN. Experimental verification of AlGaN/GaN HEMTs on diamond substrates was performed using micro-Raman spectroscopy, and investigation of the design space for devices was conducted using finite element analysis as well. In addition to the thermal impact on reliability, environmental effects can also play a role in device degradation. Using high density and pinhole free films deposited using atomic layer deposition, we also explore the use of ultra-thin barrier films for the protection of AlGaN/GaN HEMTs in high humidity and high temperature environments. The results show that it is possible to protect the devices from the effects of moisture under high negative gate bias stress testing, whereas devices, which were unprotected, failed under the same bias stress conditions. Thus, the use of the atomic layer deposition (ALD) coatings may provide added benefits in the protection and packaging of AlGaN/GaN HEMTs.M.S

Contribution aux analyses de fiabilité des transistors HEMTs GaN ; exploitation conjointe du modèle physique TCAD et des stress dynamiques HF pour l’analyse des mécanismes de dégradation

Dans la course aux développements des technologies, une révolution a été induite par l’apparition des technologies Nitrures depuis deux décennies. Ces technologies à grande bande interdite proposent en effet une combinaison unique tendant à améliorer les performances en puissance, en intégration et en bilan énergétique pour des applications hautes fréquences (bande L à bande Ka en production industrielle). Ces technologies mobilisent fortement les milieux académiques et industriels afin de proposer des améliorations notamment sur les aspects de fiabilité. Les larges efforts consentis par des consortiums industriels et académiques ont permis de mieux identifier, comprendre et maîtriser certains aspects majeurs limitant la fiabilité des composants, et ainsi favoriser la qualification de certaines filières. Cependant, la corrélation et l’analyse physique fine des mécanismes de dégradation suscite encore de nombreux questionnements, et il est indispensable de renforcer ces études par une approche d’analyse multi-outils. Nous proposons dans ce travail de thèse une stratégie d’analyse selon deux aspects majeurs. Le premier concerne la mise en œuvre d’un banc de stress qui autorise le suivi de nombreux marqueurs électriques statiques et dynamiques, sans modifier les conditions de connectiques des dispositifs sous test. Le second consiste à mettre en oeuvre un modèle physique TCAD le plus représentatif de la technologie étudiée afin de calibrer le composant à différentes périodes du stress. Le premier chapitre est consacré à la présentation des principaux tests de fiabilité des HEMTs GaN, et des défauts électriques et/ou structuraux recensés dans la littérature ; il y est ainsi fait état de techniques dites non-invasives (c.-à-d. respectant l’intégrité fonctionnelle du composant sous test), et de techniques destructives (c.-à-d. n’autorisant pas de reprise de mesure). Le second chapitre présente le banc de stress à haute fréquence et thermique développé pour les besoins de cette étude ; l’adjonction d’un analyseur de réseau vectoriel commutant sur les quatre voies de tests permet de disposer de données dynamiques fréquentielles, afin d’interpréter les variations du modèle électrique petit-signal des modules sous test à différentes périodes du stress. Des résultats de vieillissement de composants HEMTs GaN à 4,2GHz, réalisés à température ambiante et pour différents points de compression de la puissance de sortie, sont interprétés, conduisant à des observations originales quant au mécanisme de dégradation identifié. Le troisième chapitre porte sur la simulation physique TCAD de transistor HEMT GaN ; ce modèle est calibré sur une filière industrielle (sur laquelle nous disposons de nombreuses données), mais peut-être adapté selon les aménagements technologiques d’autres filières. Notre modèle a été aménagé afin de rendre compte au premier ordre de l’impact des charges fixes (selon leur localisation) sur les instabilités des tensions de seuil et de la densité de porteurs dans le canal, observées après contraintes HTOL. Ce modèle permet de distinguer des effets propres au canal de ceux induits par la commande de grille. Dans le dernier chapitre, nous exploitons la technologie GaN développée à l’Université de Sherbrooke pour concevoir un prototype d’amplificateur mono-étage MMIC et hybride à 4,2GHz