Multi-channel AlGaN/GaN lateral schottky barrier diodes on low-resistivity silicon for sub-THz integrated circuits applications

This paper presents novel multi-channel RF lateral Schottky-barrier diodes (SBDs) based on AlGaN/GaN on low resistivity (LR) (σ = 0.02 Q.cm) silicon substrates. The developed technology offers a reduction of 37 % in onset voltage, V ON (from 1.34 to 0.84 V), and 36 % in ON-resistance, R ON (1.52 to 0.97 to Q.mm) as a result of lowering the Schottky barrier height, Φn, when compared to conventional lateral SBDs. No compromise in reverse-breakdown voltage and reverse-bias leakage current performance was observed as both multi-channel and conventional technologies exhibited VBV of (VBV > 30 V) and I R of (I R <; 38 μA/mm), respectively. Furthermore, a precise small-signal equivalent circuit model was developed and verified for frequencies up to 110 GHz. The fabricated devices exhibited cut-off frequencies of up to 0.6 THz, demonstrating the potential use of lateral AlGaN/GaN SBDs on LR silicon for high-efficiency, high-frequency integrated circuits applications

Experimental demonstration of direct terahertz detection at room-temperature in AlGaN/GaN asymmetric nanochannels

The potentialities of AlGaN/GaN nanodevices as THz detectors are analyzed. Nanochannels with broken symmetry (so called Self Switching Diodes) have been fabricated for the first time in this material system using both recess-etching and ion implantation technologies. The responsivities of both types of devices have been measured and explained using Monte Carlo simulations and non linear analysis. Sensitivities up to 100 V/W is obtained at 0.3 THz with a 280 pW/sqrt(Hz) Noise Equivalent Power.ROOTHz (FP7-243845

High-frequency response and thermal effects in GaN diodes and transistors: modeling and experimental characterization

Se han analizado diodos autoconmutantes (SSDs) y transitores de alta movilidad de electrones (HEMTs) de GaN, tanto en el régimen DC como en AC, tanto desde el punto de vista experimental como de simulaciones. Las no linealidades presentes en las curvas corriente-voltaje permiten su operación como detectores de microondas a polarización nula. A pesar de las buenas propiedades del GaN, existen problemas tecnológicos relacionados con defectos, trampas y calentamiento que deben ser investigados para perfeccionar la electrónica de potencia en el futuro. Medidas pulsadas y de transitorios de corriente realizadas sobre el SSD han revelado la influencia de trampas volúmicas y superficiales, observándose anomalías en las características DC e impedancia AC. Los efectos superficiales son relevantes en canales estrechos puesto que la relación superficie-volumen del dispositivo aumenta, mientras que en los dispositivos más anchos prevalece la influencia de las trampas de tipo volúmico. Las medidas muestran un incremento anómalo de la detección a bajas temperaturas, mientras que a altas frecuencias el voltaje detectado muestra una caída que atribuimos a la presencia de trampas de tipo superficial y volúmico. Se ha observado una fuerte dispersión a baja frecuencia tanto de la transconductanciacomo de la conductancia de salida en HEMTs de AlGaN/AlN/GaN en el rango de microondas, que atribuimos a la presencia de trampas y defectos tanto en el volumen de canal de GaN como en los contactos de fuente y drenador. Estos efectos han sido modelados mediante un circuito equivalente (SSEC) modificado, obteniéndose un acuerdo excelente con los parámetros S medidos. La geometría del dispositivo afecta a los valores de los elementos del circuito equivalente y con ello a las frecuencias de corte, siendo la longitud de puerta el parámetro más influyente. Para LG = 75 nm, ft y fmax son 72 y 89 GHz, respectivamente, en los HEMTs estudiados. En los SSDs caracterizados, se ha observado una potencia equivalente del ruido (NEP) de 100 - 500 pW/Hz1=2 y una responsividad de decenas de V/W con una fuente de 50 ohmios. Se ha demostrado una frecuencia de corte de unos 200 GHz junto a una respuesta cuadrática hasta 20 dBm de potencia de entrada. A bajas frecuencias, las medidas RF muestran una responsividad que reproduce bien los cálculos realizados mediante un modelo cuasiestático (QS) basado en la pendiente y la curvatura de las curvas corriente-voltaje. Polarizar los dispositivos aumenta el voltaje detectado a costa del consumo de potencia y la aparición de ruido 1/f. El modelo QS predice que la reducción de la anchura del canal mejora la responsividad, hecho que ha sido confirmado experimentalmente. El aumento del número de diodos en paralelo reduce la impedancia; cuando coincide con el triple de la impedancia de la linea de transmisión o la antena, la NEP alcanza su valor mínimo. Los diodos con puerta (G-SSDs) muestran, en espacio libre a 300 GHz, una responsividad en torno a 600 V/W y una NEP en torno a 50 pW/Hz1=2 cerca del voltaje umbral. De nuevo, se obtiene un buen acuerdo entre los resultados del modelo QS, las medidas a 900 MHz y las medidas en espacio libre a 300 GHz, todo ello por encima de la zona subumbral. La NEP mejora al aumentar el número de canales en paralelo. Se han comparado los resultados de la detección inyectando la señal por el drenador (DCS) y la puerta (GCS) de los HEMTs hasta 40 GHz. Para DCS, se han obtenido una responsividad en torno a 400 V/W y una NEP de 30 pW/Hz1/2, en un HEMT con LG = 150 nm a temperatura ambiente bajo condiciones de polarización nula y puerta polarizada cerca del umbral. Por otro lado, la responsividad se incrementa en GCS hasta 1.4 kV/W, con la desventaja de polarizar con una corriente de drenador de ID = 1.2 mA. Ambas configuraciones muestran una frecuencia de corte, con -3 dB de caída, en torno a 40 GHz. Resulta interesante que en GCS y a unafrecuencia suficientemente alta para cortocircuitar la rama puerta-drenador con la de la no linealidad, se consigue detectar una responsividad no nula. El estudio del autocalentamiento se vuelve relevante cuando los dispositivos trabajan en condiciones de alta potencia. Las simulaciones se han realizado con una herramienta Monte Carlo (MC) desarrollada por el grupo y acoplada con dos modelos térmicos: (i) modelo de resistencia térmica (TRM) y (ii) un modelo electrotérmico avanzado y que se basa en la resolución autoconsistente de la ecuación del calor independiente del tiempo. A temperatura ambiente la herramienta MC se calibró comparando con resultados experimentales de TLMs (transfer length measurement ), lográndose reproducir la densidad supercial de portadores y la movilidad. Incluyendo la resistencia de contactos, la barrera Schottky y la barrera térmica, nuestros resultados se han validado con medidas experimentales de un HEMT de dimensiones LDS = 1.5 micras y LG = 150 nm, encontrándose un acuerdo razonable. El TRM da unos resultados similares al ETM con valores de la resistencia térmica (RTH) bien calibradas. La principal ventaja del ETM es la posibilidad de obtener mapas de temperatura dentro del canal e identificar la localización de los puntos calientes. También se discute el impacto de la polarización en el SSEC y las discrepancias entre los modelos ETM y TRM. Se utilizan medidas pulsadas hasta 500 K para estimar la temperatura del canal y el valor de la RTH. Para T 250 K.Nanoelectrónica de gap ancho y estrecho para la mejora de la eficiencia en aplicaciones de RF y THz (TEC2013-41640-R). Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO). Estudio de efectos térmicos en dispositivos de RF. Modelado y caracterización experimental (SA052U13). Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León. Emisores y detectores de terahercios basados en nanodiodos semiconductores para comunicaciones e imagen médica y de seguridad (SA022U16). Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León. Tecnologías de diodos de GaN para generación y detección en la banda de subterahercios (TEC2017-83910-R). Ministerio de Economía y Competitividad (MINECO). Simulación y caracterización de efectos electrotérmicos en dispositivos de subterahercios para comunicaciones de alta velocidad (SA254P18). Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León

High-frequency response and thermal effects in GaN diodes and transistors: modeling and experimental characterization

[ES] Se han analizado diodos autoconmutantes (SSDs) y transitores de alta movilidad de electrones (HEMTs) de GaN, tanto en el régimen DC como en AC, tanto desde el punto de vista experimental como de simulaciones. Las no linealidades presentes en las curvas corriente-voltaje permiten su operación como detectores de microondas a polarización nula. A pesar de las buenas propiedades del GaN, existen problemas tecnológicos relacionados con defectos, trampas y calentamiento que deben ser investigados para perfeccionar la electrónica de potencia en el futuro. Medidas pulsadas y de transitorios de corriente realizadas sobre el SSD han revelado la influencia de trampas volúmicas y superficiales, observándose anomalías en las características DC e impedancia AC. Los efectos superficiales son relevantes en canales estrechos puesto que la relación superficie-volumen del dispositivo aumenta, mientras que en los dispositivos más anchos prevalece la influencia de las trampas de tipo volúmico. Las medidas muestran un incremento anómalo de la detección a bajas temperaturas, mientras que a altas frecuencias el voltaje detectado muestra una caída que atribuimos a la presencia de trampas de tipo superficial y volúmico. Se ha observado una fuerte dispersión a baja frecuencia tanto de la transconductanciacomo de la conductancia de salida en HEMTs de AlGaN/AlN/GaN en el rango de microondas, que atribuimos a la presencia de trampas y defectos tanto en el volumen de canal de GaN como en los contactos de fuente y drenador. Estos efectos han sido modelados mediante un circuito equivalente (SSEC) modificado, obteniéndose un acuerdo excelente con los parámetros S medidos. La geometría del dispositivo afecta a los valores de los elementos del circuito equivalente y con ello a las frecuencias de corte, siendo la longitud de puerta el parámetro más influyente. Para LG = 75 nm, ft y fmax son 72 y 89 GHz, respectivamente, en los HEMTs estudiados. En los SSDs caracterizados, se ha observado una potencia equivalente del ruido (NEP) de 100 - 500 pW/Hz1=2 y una responsividad de decenas de V/W con una fuente de 50 ohmios. Se ha demostrado una frecuencia de corte de unos 200 GHz junto a una respuesta cuadrática hasta 20 dBm de potencia de entrada. A bajas frecuencias, las medidas RF muestran una responsividad que reproduce bien los cálculos realizados mediante un modelo cuasiestático (QS) basado en la pendiente y la curvatura de las curvas corriente-voltaje. Polarizar los dispositivos aumenta el voltaje detectado a costa del consumo de potencia y la aparición de ruido 1/f. El modelo QS predice que la reducción de la anchura del canal mejora la responsividad, hecho que ha sido confirmado experimentalmente. El aumento del número de diodos en paralelo reduce la impedancia; cuando coincide con el triple de la impedancia de la linea de transmisión o la antena, la NEP alcanza su valor mínimo. Los diodos con puerta (G-SSDs) muestran, en espacio libre a 300 GHz, una responsividad en torno a 600 V/W y una NEP en torno a 50 pW/Hz1=2 cerca del voltaje umbral. De nuevo, se obtiene un buen acuerdo entre los resultados del modelo QS, las medidas a 900 MHz y las medidas en espacio libre a 300 GHz, todo ello por encima de la zona subumbral. La NEP mejora al aumentar el número de canales en paralelo. Se han comparado los resultados de la detección inyectando la señal por el drenador (DCS) y la puerta (GCS) de los HEMTs hasta 40 GHz. Para DCS, se han obtenido una responsividad en torno a 400 V/W y una NEP de 30 pW/Hz1/2, en un HEMT con LG = 150 nm a temperatura ambiente bajo condiciones de polarización nula y puerta polarizada cerca del umbral. Por otro lado, la responsividad se incrementa en GCS hasta 1.4 kV/W, con la desventaja de polarizar con una corriente de drenador de ID = 1.2 mA. Ambas configuraciones muestran una frecuencia de corte, con -3 dB de caída, en torno a 40 GHz. Resulta interesante que en GCS y a unafrecuencia suficientemente alta para cortocircuitar la rama puerta-drenador con la de la no linealidad, se consigue detectar una responsividad no nula. El estudio del autocalentamiento se vuelve relevante cuando los dispositivos trabajan en condiciones de alta potencia. Las simulaciones se han realizado con una herramienta Monte Carlo (MC) desarrollada por el grupo y acoplada con dos modelos térmicos: (i) modelo de resistencia térmica (TRM) y (ii) un modelo electrotérmico avanzado y que se basa en la resolución autoconsistente de la ecuación del calor independiente del tiempo. A temperatura ambiente la herramienta MC se calibró comparando con resultados experimentales de TLMs (transfer length measurement ), lográndose reproducir la densidad super cial de portadores y la movilidad. Incluyendo la resistencia de contactos, la barrera Schottky y la barrera térmica, nuestros resultados se han validado con medidas experimentales de un HEMT de dimensiones LDS = 1.5 micras y LG = 150 nm, encontrándose un acuerdo razonable. El TRM da unos resultados similares al ETM con valores de la resistencia térmica (RTH) bien calibradas. La principal ventaja del ETM es la posibilidad de obtener mapas de temperatura dentro del canal e identificar la localización de los puntos calientes. También se discute el impacto de la polarización en el SSEC y las discrepancias entre los modelos ETM y TRM. Se utilizan medidas pulsadas hasta 500 K para estimar la temperatura del canal y el valor de la RTH. Para T 250 K

Feature Papers in Electronic Materials Section

This book entitled "Feature Papers in Electronic Materials Section" is a collection of selected papers recently published on the journal Materials, focusing on the latest advances in electronic materials and devices in different fields (e.g., power- and high-frequency electronics, optoelectronic devices, detectors, etc.). In the first part of the book, many articles are dedicated to wide band gap semiconductors (e.g., SiC, GaN, Ga2O3, diamond), focusing on the current relevant materials and devices technology issues. The second part of the book is a miscellaneous of other electronics materials for various applications, including two-dimensional materials for optoelectronic and high-frequency devices. Finally, some recent advances in materials and flexible sensors for bioelectronics and medical applications are presented at the end of the book

Wide Bandgap Based Devices

Emerging wide bandgap (WBG) semiconductors hold the potential to advance the global industry in the same way that, more than 50 years ago, the invention of the silicon (Si) chip enabled the modern computer era. SiC- and GaN-based devices are starting to become more commercially available. Smaller, faster, and more efficient than their counterpart Si-based components, these WBG devices also offer greater expected reliability in tougher operating conditions. Furthermore, in this frame, a new class of microelectronic-grade semiconducting materials that have an even larger bandgap than the previously established wide bandgap semiconductors, such as GaN and SiC, have been created, and are thus referred to as “ultra-wide bandgap” materials. These materials, which include AlGaN, AlN, diamond, Ga2O3, and BN, offer theoretically superior properties, including a higher critical breakdown field, higher temperature operation, and potentially higher radiation tolerance. These attributes, in turn, make it possible to use revolutionary new devices for extreme environments, such as high-efficiency power transistors, because of the improved Baliga figure of merit, ultra-high voltage pulsed power switches, high-efficiency UV-LEDs, and electronics. This Special Issue aims to collect high quality research papers, short communications, and review articles that focus on wide bandgap device design, fabrication, and advanced characterization. The Special Issue will also publish selected papers from the 43rd Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits, held in France (WOCSDICE 2019), which brings together scientists and engineers working in the area of III–V, and other compound semiconductor devices and integrated circuits

GaN-based HEMTs for Cryogenic Low-Noise Applications

Radio-astronomy deals with signals and radiations of extremely weak intensity. Also, it requires robust and rugged technologies able to sustain and prevent the Radio Frequency Interferences (RFI). Complying with the required high sensitivity, Low Noise Amplifiers (LNAs) operating at cryogenic temperatures are key elements in radio astronomy instrumentation. Thus far, advanced semiconductor technologies but with limited power-handling capabilities have been traditionally employed as LNAs. Over the past decades, Gallium Nitride (GaN)-based high electron mobility transistors (HEMTs) were demonstrated at room temperature to offer a combination of both excellent low-noise operation and a superior high-power handling performance compared to other materials. In addition, a number of studies indicated a promising potential for the GaN technology to operate at cryogenic temperatures. However, the cryogenic noise performance of the GaN-HEMTs remained unexplored so far.This thesis investigates the potential of GaN–based HEMTs for low-noise operation at these cryogenic temperatures. Established characterization and modeling approaches were employed for this purpose. As a main result, this work reveals a first estimation of the noise performance of GaN-HEMTs at cryogenic temperatures of ~10 K which compares to other more advanced technologies in this field. This was achieved through the extraction of a model, based on experimental noise measurements, describing the microwave noise behavior at cryogenic temperatures at the device level. The model predicts the noise contribution of GaN-HEMTs at cryogenic temperatures with respect to the frequency of operation, the dissipated power, and the total periphery of the device. Hence, it constitutes the basis for the design of future GaN-based LNAs which fulfill the different requirements set by the demanding cryogenic applications.The extracted cryogenic noise model was used to identify and analyze the role of the different physical parameters of the device, over which a technological control might be possible in the future in order to improve the assessed noise performance of the cryogenic GaN-HEMTs. From that perspective, GaN-HEMTs featuring superconducting Niobium (Nb)-gates were demonstrated for the first time. The successful integration of superconducting Nb-gates into AlGaN/GaN HEMTs was demonstrated on different samples, showing a suppression of the gate resistance independently of the width and length of the gate below a critical temperature \u1d447\u1d450 &lt; 9.2 K. The superconductivity of the gate leads to the cancellation of the associated noise contribution. Comparing the noise performance of the resulting devices to that of the conventional Gold (Au)-gated GaN-HEMTs, it was concluded that further management of the device’s self-heating is required to enable the full potential of the Nb-gate by maintaining its superconductivity while operating at optimum-noise bias conditions

Voltage controlled sub-THz detection with gated planar asymmetric nanochannels

[EN]This letter reports on room temperature sub-THz detection using self-switching diodes based on an AlGaN/GaN heterostructure on a Si substrate. By means of free-space measurements at 300 GHz, we demonstrate that the responsivity and noise equivalent power (NEP) of sub-THz detectors based on planar asymmetric nanochannels can be improved and voltage controlled by means of a top gate electrode. A simple quasi-static model based on the DC measurements of the current-voltage curves is able to predict the role of the gate bias in its performance. The best values of voltage responsivity and NEP are achieved when the gate bias approaches the threshold voltage, around 600 V/W and 50 pW/Hz1/2, respectively. A good agreement is found between modeled results and those obtained from RF measurements under probes at low frequency (900MHz) and in free-space at 300 GHz

Optimization of THz detection by two dimensional plasmons in heterostructures and THz propagation in planar waveguides

Dans la gamme de fréquence térahertz (THz), les sources et les détecteurs couramment utilisés en optique et en électronique présentent une chute de performances. Mon travail de thèse s inscrit dans le cadre de la recherche de composants THz peu onéreux, compacts, accordables en fréquence et facile à intégrer. Le premier volet de mon travail de thèse concerne la détection THz et met à profit le couplage entre une onde incidente THz et des plasmons d un gaz bidimensionnel d électrons (2DEG) via des réseaux métalliques déposés au-dessus d hétérostructures. Quatre puits quantiques à base de semi-conducteurs III/V(AlGaN/GaN, AlGaAs/GaAs, InAlN/GaN) et IV/IV (SiGe/Si/SiGe) ont été étudiés. Parmi les hétérostructures envisagées, celles réalisées à partir de matériaux III-N présentent les plus fortes résonances. Des mesures de spectre de transmission ont été effectuées avec un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR) à température ambiante et cryogénique. Les modélisations numériques sont en bon accord avec les résultats expérimentaux. Une étude sur l influence de la distribution homogène ou inhomogène du gaz d électrons 2D est présentée. Le deuxième volet de la thèse concerne l optimisation de la transmission THz. Les performances (dipsersions et les pertes) des guides d'onde planaires sont mal connues au THz. Nous avons choisi d étudier des guides d onde couramment utilisés en hyperfréquence. Dans un premier temps, la dispersion et les pertes (rayonnement, conduction et diélectrique) de lignes coplanaires (CPW) sur substrat polymère (BCB = benzocyclobutène) et substrat semiconducteur (InP) obtenues grâce à des modélisations numériques (Ansoft HFSS) entre 20 GHz et 1 THz sont présentées. Puis d autres types de guides ont été envisagés tels que les lignes micro-ruban, à fente et triplaques sur substrat BCB avec HFSS et CST MWS. Leurs performances ont été comparées afin de dégager la structure la plus performante au THz. Des mesures entre 340 et 500 GHz ont pu aussi être réalisées pour les guides CPW. La comparaison avec les données numériques a montré un bon accord.In the THz frequency gap between electronics and optics, the development of compact, tunable, less costly and room temperature operating sources, detectors, amplifiers and passive devices is growing. Electronic devices based on two dimensional (2D) plasmons in heterostructures open up the possibility of tunable emission and detection of THz radiation. For short distance THz transmission, the increased radiation loss as well as other types of loss (dielectric and ohmic loss) may handicap the applications of conventional planar waveguides well studied in the microwave band. Reevaluation of their propagation properties and comprehension of the physical nature of each kind of loss are necessary.This work is divided into two main sections. The first part deals with the optimization of THz resonant detection by quasi 2D plasmons-polaritons (PP) in the quantum wells (QW) among four heterostructures: III-V (AlGaN/GaN, InAlN/GaN, AlGaAs/GaAs) and IV-IV (SiGe/Si/SiGe). With the aid of metallic grating coupler, both ANSOFT HFSS and an indigenously developed program are used to investigate quantitatively the influences of structural parameters (grating period, metal strip width and thickness of barrier layer) and natural properties of 2D plasmons (electron concentration and mobility) on the PP resonances (frequency and amplitude) up to 5 THz. Transmission spectra of sample AlGaN/GaN have been measured by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) in 0.6-1.8 THz for various metal widths and at different temperatures to compare with the simulated results. At last, two types of modulated 2D electron gas in AlGaAs/GaAs are analyzed. One is the natural electron variation below and between metal fingers due to the difference between the barrier height at the interface metal/semiconductor and Fermi level pinning at the interface air/semiconductor. The other type is the forced modulated 2DEG by biasing voltage on metal fingers. These two parametric studies allow us to analyze and tune the frequency and amplitude of the THz detection. The second part separately studies the dispersions and attenuations of four waveguides (CPW, Microstrip, Stripline and Slotline) with the variation of geometric dimensions and properties of dielectric and metal by ANSOFT HFSS and CST MWS. Their performances are compared until 1 THz based on the same characteristic impedance. The advantages and the limitations of each waveguide are outlined and an optimal THz transmission line is proposed. Furthermore, preliminary measured attenuation of CPW in the frequency range 340-500 GHz are demonstrated and compared with numerical results. The design of transitions for adapting experimental probes by HFSS and the de-embedding method for extracting scattering and attenuation parameters of CPW by ADS are also presented..PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF