When self-consistency makes a difference

Compound semiconductor power RF and microwave device modeling requires, in many cases, the use of selfconsistent electrothermal equivalent circuits. The slow thermal dynamics and the thermal nonlinearity should be accurately included in the model; otherwise, some response features subtly related to the detailed frequency behavior of the slow thermal dynamics would be inaccurately reproduced or completely distorted. In this contribution we show two examples, concerning current collapse in HBTs and modeling of IMPs in GaN HEMTs. Accurate thermal modeling is proved to be be made compatible with circuit-oriented CAD tools through a proper choice of system-level approximations; in the discussion we exploit a Wiener approach, but of course the strategy should be tailored to the specific problem under consideratio

Distributed Modeling Approach for Electrical and Thermal Analysis of High-Frequency Transistors

The research conducted in this dissertation is focused on developing modeling approaches for analyzing high-frequency transistors and present solutions for optimizing the device output power and gain. First, a literature review of different transistor types utilized in high-frequency regions is conducted and gallium nitride high electron mobility transistor is identified as the promising device for these bands. Different structural configurations and operating modes of these transistors are explained, and their applications are discussed. Equivalent circuit models and physics-based models are also introduced and their limitations for analyzing the small-signal and large-signal behavior of these devices are explained. Next, a model is developed to investigate the thermal properties of different semiconductor substrates. Heat dissipation issues associated with some substrate materials, such as sapphire, silicon, and silicon carbide are identified, and thinning the substrates is proposed as a preliminary solution for addressing them. This leads to a comprehensive and universal approach to increase the heat dissipation capabilities of any substrate material and 2X-3X improvement is achieved according to this novel technique. Moreover, for analyzing the electrical behavior of these devices, a small-signal model is developed to examine the operation of transistors in the linear regions. This model is obtained based on an equivalent circuit which includes the distributed effects of the device at higher frequency bands. In other words, the wave propagation effects and phase velocity mismatches are considered when developing the model. The obtained results from the developed simulation tool are then compared with the measurements and excellent agreement is achieved between the two cases, which serves as the proof for validation. Additionally, this model is extended to predict and analyze the nonlinear behavior of these transistors and the developed tool is validated according to the obtained large-signal analysis results from measurement. Based on the developed modeling approach, a novel fabrication technique is also proposed which ensures the high-frequency operability of current devices with the available fabrication technologies, without forfeiting the gain and output power. The technical details regarding this approach and a sample configuration of the electrode model for the transistor based on the proposed design are also provided

Advanced AlGaN/GaN HEMT technology, design, fabrication and characterization

Nowadays, the microelectronics technology is based on the mature and very well established silicon (Si) technology. However, Si exhibits some important limitations regarding its voltage blocking capability, operation temperature and switching frequency. In this sense, Gallium Nitride (GaN)-based high electron mobility transistors (HEMTs) devices have the potential to make this change possible. The unique combination of the high-breakdown field, the high-channel electron mobility of the two dimensional electron gas (2DEG), and high-temperature of operation has attracted enormous interest from social, academia and industry and in this context this PhD dissertation has been made. This thesis has focused on improving the device performance through the advanced design, fabrication and characterization of AlGaN/GaN HEMTs, primarily grown on Si templates. The first milestone of this PhD dissertation has been the establishment of a know-how on GaN HEMT technology from several points of view: the device design, the device modeling, the process fabrication and the advanced characterization primarily using devices fabricated at Centre de Recherche sur l'Hétéro-Epitaxie (CRHEA-CNRS) (France) in the framework of a collaborative project. In this project, the main workhorse of this dissertation was the explorative analysis performed on the AlGaN/GaN HEMTs by innovative electrical and physical characterization methods. A relevant objective of this thesis was also to merge the nanotechnology approach with the conventional characterization techniques at the device scale to understand the device performance. A number of physical characterization techniques have been imaginatively used during this PhD determine the main physical parameters of our devices such as the morphology, the composition, the threading dislocations density, the nanoscale conductive pattern and others. The conductive atomic force microscopy (CAFM) tool have been widely described and used to understand the conduction mechanisms through the AlGaN/GaN Ohmic contact by performing simultaneously topography and electrical conductivity measurements. As it occurs with the most of the electronic switches, the gate stack is maybe the critical part of the device in terms of performance and longtime reliability. For this reason, how the AlGaN/GaN HEMT gate contact affects the overall HEMT behaviour by means of advanced characterization and modeling has been intensively investigated. It is worth mentioning that the high-temperature characterization is also a cornerstone of this PhD. It has been reported the elevated temperature impact on the forward and the reverse leakage currents for analogous Schottky gate HEMTs grown on different substrates: Si, sapphire and free-standing GaN (FS-GaN). The HEMT' forward-current temperature coefficients (T^a) as well as the thermal activation energies have been determined in the range of 25-300 ºC. Besides, the impact of the elevated temperature on the Ohmic and gate contacts has also been investigated. The main results of the gold-free AlGaN/GaN HEMTs high-voltage devices fabricated with a 4 inch Si CMOS compatible technology at the clean room of the CNM in the framework of the industrial contract with ON semiconductor were presented. We have shown that the fabricated devices are in the state-of-the-art (gold-free Ohmic and Schottky contacts) taking into account their power device figure-of-merit ((VB^2)/Ron) of 4.05×10^8 W/cm^2. Basically, two different families of AlGaN/GaN-on-Si MIS-HEMTs devices were fabricated on commercial 4 inch wafers: (i) using a thin ALD HfO2 (deposited on the CNM clean room) and (ii) thin in-situ grown Si3N4, as a gate insulator (grown by the vendor). The scientific impact of this PhD in terms of science indicators is of 17 journal papers (8 as first author) and 10 contributions at international conferences

Temperature Dependent Analytical Modeling, Simulation and Characterizations of HEMTs in Gallium Nitride Process

Research is being conducted for a high-performance building block for high frequency and high temperature applications that combine lower costs with improved performance and manufacturability. Researchers have focused their attention on new semiconductor materials for use in device technology to address system improvements. Of the contenders, silicon carbide (SiC), gallium nitride (GaN), and diamond are emerging as the front-runners. GaN-based electronic devices, AlGaN/GaN heterojunction field effect transistors (HFETs), are the leading candidates for achieving ultra-high frequency and high-power amplifiers. Recent advances in device and amplifier performance support this claim. GaN is comparable to the other prominent material options for high-performance devices. The dissertation presents the work on analytical modeling and simulation of GaN high power HEMT and MOS gate HEMT, model verification with test data and device characterization at elevated temperatures. The model takes into account the carrier mobility, the doping densities, the saturation velocity, and the thickness of different layers. Considering the GaN material processing limitations and feedback from the simulation results, an application specific AlGaN/GaN RF power HEMT structure has been proposed. The doping concentrations and the thickness of various layers are selected to provide adequate channel charge density for the proposed devices. A good agreement between the analytical model, and the experimental data is demonstrated. The proposed temperature model can operate at higher voltages and shows stable operation of the devices at higher temperatures. The investigated temperature range is from 1000K to 6000K. The temperature models include the effect of temperature variation on the threshold voltage, carrier mobility, bandgap and saturation velocity. The calculated values of the critical parameters suggest that the proposed device can operate in the GHz range for temperature up to 6000K, which indicates that the device could survive in extreme environments. The models developed in this research will not only help the wide bandgap device researchers in the device behavioral study but will also provide valuable information for circuit designers

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

Thermo-Piezo-Electro-Mechanical Simulation of AlGaN (Aluminum Gallium Nitride) / GaN (Gallium Nitride) High Electron Mobility Transistor

Due to the current public demand of faster, more powerful, and more reliable electronic devices, research is prolific these days in the area of high electron mobility transistor (HEMT) devices. This is because of their usefulness in RF (radio frequency) and microwave power amplifier applications including microwave vacuum tubes, cellular and personal communications services, and widespread broadband access. Although electrical transistor research has been ongoing since its inception in 1947, the transistor itself continues to evolve and improve much in part because of the many driven researchers and scientists throughout the world who are pushing the limits of what modern electronic devices can do. The purpose of the research outlined in this paper was to better understand the mechanical stresses and strains that are present in a hybrid AlGaN (Aluminum Gallium Nitride) / GaN (Gallium Nitride) HEMT, while under electrically-active conditions. One of the main issues currently being researched in these devices is their reliability, or their consistent ability to function properly, when subjected to high-power conditions. The researchers of this mechanical study have performed a static (i.e. frequency-independent) reliability analysis using powerful multiphysics computer modeling/simulation to get a better idea of what can cause failure in these devices. Because HEMT transistors are so small (micro/nano-sized), obtaining experimental measurements of stresses and strains during the active operation of these devices is extremely challenging. Physical mechanisms that cause stress/strain in these structures include thermo-structural phenomena due to mismatch in both coefficient of thermal expansion (CTE) and mechanical stiffness between different materials, as well as stress/strain caused by piezoelectric effects (i.e. mechanical deformation caused by an electric field, and conversely voltage induced by mechanical stress) in the AlGaN and GaN device portions (both piezoelectric materials). This piezoelectric effect can be triggered by voltage applied to the device\u27s gate contact and the existence of an HEMT-unique two-dimensional electron gas (2DEG) at the GaN-AlGaN interface. COMSOL Multiphysics computer software has been utilized to create a finite element (i.e. piece-by-piece) simulation to visualize both temperature and stress/strain distributions that can occur in the device, by coupling together (i.e. solving simultaneously) the thermal, electrical, structural, and piezoelectric effects inherent in the device. The 2DEG has been modeled not with the typically-used self-consistent quantum physics analytical equations, rather as a combined localized heat source* (thermal) and surface charge density* (electrical) boundary condition. Critical values of stress/strain and their respective locations in the device have been identified. Failure locations have been estimated based on the critical values of stress and strain, and compared with reports in literature. The knowledge of the overall stress/strain distribution has assisted in determining the likely device failure mechanisms and possible mitigation approaches. The contribution and interaction of individual stress mechanisms including piezoelectric effects and thermal expansion caused by device self-heating (i.e. fast-moving electrons causing heat) have been quantified. * Values taken from results of experimental studies in literatur