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

Gate current analysis of AlGaN/GaN on silicon heterojunction transistors at the nanoscale

The gate leakage current of AlGaN/GaN (on silicon)high electron mobility transistor(HEMT) is investigated at the micro and nanoscale. The gate current dependence (25-310 °C) on the temperature is used to identify the potential conduction mechanisms, as trap assisted tunneling or field emission. The conductive atomic force microscopy investigation of the HEMT surface has revealed some correlation between the topography and the leakage current, which is analyzed in detail. The effect of introducing a thin dielectric in the gate is also discussed in the micro and the nanoscale

Disseny i implementació d’arquitectures de baix soroll amb elements distribuïts

La innovació tecnològica dels darrers anys en el sector de l’automòbil aporta als vehicles un ampli ventall de serveis de comunicació per tal de satisfer les necessitats dels usuaris. Aquests nous serveis tenen un ampli rang freqüèncial de treball, des dels MHz fins la desena de GHz. Per tal de satisfer l’evolució tecnològica cal treballar a altes freqüències, plantejant la realització dels dissenys amb elements distribuïts. El projecte recull el disseny d’un amplificador per oferir servei de DAB_L realitzat pas a pas. Primerament el disseny es realitza amb elements concentrats i es realitzen les diverses simulacions per tal de verificar les especificacions. Posteriorment es realitza el disseny pas a pas amb elements distribuïts i es torna a simular per tal de verificar el correcte funcionament. En aquest cas es realitza la implementació física dels diversos dissenys amb elements distribuïts. També es tornen a realitzar les diverses mesures per tal de verificar les especificacions. Per concloure es proposa realitzar una aplicació concreta per a aquest disseny, és la integració d’aquest amplificador en un mirall retrovisor. S’ha proposat un possible estudi ja que no s’ha realitzat físicament per diversos motius. Finalment s’ha comparat el disseny realitzat amb elements concentrats i els disseny realitzat amb elements distribuïts, pel que fa referència al cost, dimensions, etc, per tal de determinar quin dels dissenys és més viable

Disseny i implementació d’arquitectures de baix soroll amb elements distribuïts

La innovació tecnològica dels darrers anys en el sector de l’automòbil aporta als vehicles un ampli ventall de serveis de comunicació per tal de satisfer les necessitats dels usuaris. Aquests nous serveis tenen un ampli rang freqüèncial de treball, des dels MHz fins la desena de GHz. Per tal de satisfer l’evolució tecnològica cal treballar a altes freqüències, plantejant la realització dels dissenys amb elements distribuïts. El projecte recull el disseny d’un amplificador per oferir servei de DAB_L realitzat pas a pas. Primerament el disseny es realitza amb elements concentrats i es realitzen les diverses simulacions per tal de verificar les especificacions. Posteriorment es realitza el disseny pas a pas amb elements distribuïts i es torna a simular per tal de verificar el correcte funcionament. En aquest cas es realitza la implementació física dels diversos dissenys amb elements distribuïts. També es tornen a realitzar les diverses mesures per tal de verificar les especificacions. Per concloure es proposa realitzar una aplicació concreta per a aquest disseny, és la integració d’aquest amplificador en un mirall retrovisor. S’ha proposat un possible estudi ja que no s’ha realitzat físicament per diversos motius. Finalment s’ha comparat el disseny realitzat amb elements concentrats i els disseny realitzat amb elements distribuïts, pel que fa referència al cost, dimensions, etc, per tal de determinar quin dels dissenys és més viable

Disseny i implementació d’arquitectures de baix soroll amb elements distribuïts

La innovació tecnològica dels darrers anys en el sector de l’automòbil aporta als vehicles un ampli ventall de serveis de comunicació per tal de satisfer les necessitats dels usuaris. Aquests nous serveis tenen un ampli rang freqüèncial de treball, des dels MHz fins la desena de GHz. Per tal de satisfer l’evolució tecnològica cal treballar a altes freqüències, plantejant la realització dels dissenys amb elements distribuïts. El projecte recull el disseny d’un amplificador per oferir servei de DAB_L realitzat pas a pas. Primerament el disseny es realitza amb elements concentrats i es realitzen les diverses simulacions per tal de verificar les especificacions. Posteriorment es realitza el disseny pas a pas amb elements distribuïts i es torna a simular per tal de verificar el correcte funcionament. En aquest cas es realitza la implementació física dels diversos dissenys amb elements distribuïts. També es tornen a realitzar les diverses mesures per tal de verificar les especificacions. Per concloure es proposa realitzar una aplicació concreta per a aquest disseny, és la integració d’aquest amplificador en un mirall retrovisor. S’ha proposat un possible estudi ja que no s’ha realitzat físicament per diversos motius. Finalment s’ha comparat el disseny realitzat amb elements concentrats i els disseny realitzat amb elements distribuïts, pel que fa referència al cost, dimensions, etc, per tal de determinar quin dels dissenys és més viable

Gate current analysis of AlGaN/GaN on silicon heterojunction transistors at the nanoscale

The gate leakage current of AlGaN/GaN (on silicon)high electron mobility transistor(HEMT) is investigated at the micro and nanoscale. The gate current dependence (25-310 °C) on the temperature is used to identify the potential conduction mechanisms, as trap assisted tunneling or field emission. The conductive atomic force microscopy investigation of the HEMT surface has revealed some correlation between the topography and the leakage current, which is analyzed in detail. The effect of introducing a thin dielectric in the gate is also discussed in the micro and the nanoscale

Nanoscale conductive pattern of the homoepitaxial AlGaN/GaN transistor

The gallium nitride (GaN)-based buffer/barrier mode of growth and morphology, the transistor electrical response (25-310°C) and the nanoscale pattern of a homoepitaxial AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) have been investigated at the micro and nanoscale. The low channel sheet resistance and the enhanced heat dissipation allow a highly conductive HEMT transistor (Ids > 1 A mmˉ¹) to be defined (0.5 A mm¯¹ at 300 °C). The vertical breakdown voltage has been determined to be ~850 V with the vertical drain-bulk (or gate-bulk) current following the hopping mechanism, with an activation energy of 350 meV. The conductive atomic force microscopy nanoscale current pattern does not unequivocally follow the molecular beam epitaxy AlGaN/GaN morphology but it suggests that the FS-GaN substrate presents a series of preferential conductive spots (conductive patches). Both the estimated patches density and the apparent random distribution appear to correlate with the edge-pit dislocations observed via cathodoluminescence. The sub-surface edge-pit dislocations originating in the FS-GaN substrate result in barrier height inhomogeneity within the HEMT Schottky gate producing a subthreshold current