Analysis of the physical mechanisms limiting performance and reliability of GaN based HEMTs

par Mustapha Faqir

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de André Touboul et de Fausto Fantini.

Le jury était composé de Nathalie Labat, Roberto Menozzi, Christophe Gaquière, Sonia Bergamaschi.

  • Titre traduit

    Analyse des mécanismes physiques qui limitent les performances et la fiabilité des HEMTs sur GaN


  • Résumé

    Ce manuscrit présente les résultats d’une analyse exhaustive des mécanismes physiques qui limitent les performances et la fiabilité des transistors à haute mobilité d’électrons (HEMT) sur nitrure de gallium (GaN). En particulier : • Les phénomènes de dégradation à fort champ électrique des HEMT sur GaN sont analysés en comparant les données expérimentales avec les résultats de simulations physiques. Des stresses DC de 150 heures ont été effectués en conditions de canal ouvert et de pincement. Les effets des dégradations qui ont caractérisé ces deux types de stresses sont les suivants: une chute de courant DC de drain, une amplification des effets de gate-lag, et une diminution du courant inverse de grille. Les simulations physiques indiquent que la génération simultanée de piéges de surface (et/ou barrière) et de volume peut expliquer tous les modes de dégradation décrits plus haut. Les mesures expérimentales ont également montré que le stress en canal ouvert a causé une chute de la transconductance seulement pour de fortes valeurs de la tension VGS, alors que le stress au pincement a provoqué une chute de transconductance uniforme pour toutes les valeurs de VGS. Ce comportement peut être reproduit par la simulation physique pourvu que, dans le cas de stress a canal ouvert, on considère que les piéges s’accumulent au long d’une vaste région qui s’étend latéralement du bord de la grille vers le contact de drain, tandis que, dans le cas du stress au pincement, on considère que la génération des pièges ait lieu dans une portion plus petite de la zone d’accès à proximité de la grille et qu’elle soit accompagnée par une grande dégradation des paramètres de transport du canal. Enfin on propose que les électrons chauds et l’augmentation de la contrainte par le champ électrique soient à l’origine des dégradations observées après les stresses a canal ouvert et au pincement respectivement. • Les piéges dans les HEMT sur GaN ont été caractérisés en utilisant les techniques de DLTS et leur comportement associé de charge/décharge est interprété à l’aide des simulations physiques. Sous certaines conditions de polarisation, les piéges du buffer peuvent produire de faux signaux de piéges de surface, c'est-à-dire, le même type de signaux I-DLTS et ICTS attribués généralement aux piéges de surface. Clarifier cet aspect est très important à la fois pour les tests de fiabilité et pour l’optimisation des dispositifs, car il peut provoquer une identification erronée du mécanisme de dégradation, et par conséquent induire une mauvaise correction des procédés technologiques. • Les mécanismes physiques qui provoquent l’effondrement du courant RF dans les HEMT sur GaN sont analysés par le biais de mesures expérimentales et de simulations physiques. Ce travail propose les conditions suivantes : i) les piéges du buffer aussi bien que ceux de surface peuvent contribuer à l’effondrement du courant RF à travers un mécanisme identique qui impliquerait la capture et l’émission des électrons provenant de la grille; ii) la passivation de la surface diminue considérablement l’effondrement du courant RF par la réduction du champ électrique en surface et la diminution qui en découle de l’injection d’ électrons de la grille vers les pièges ; iii) pour des densités de piéges de surface inférieures à 9 × 1012 cm-2 , des barrières de potentiel superficiels dans l’ordre de 1-2 eV peuvent coexister avec des piéges de surface ayant des énergies plus faibles et qui causent l’effondrement du courant RF caractérisé par des constantes de temps relativement courtes. • Les effets de l’effondrement du courant dans les HEMT sur GaN sont étudiés en utilisant les résultats de mesures expérimentales et de simulations physiques. D’après les mesures pulsées, les dispositifs employés montrent un gate-lag considérable et un drain-lag négligeable qui peuvent être attribués à la présence de piéges de surface et de buffer respectivement.


  • Résumé

    This thesis reports the results of an extensive analysis of the physical mechanisms that limit the performance and reliability of gallium nitride (GaN) based High Electron Mobility Transistors (HEMT). In particular: • High electric field degradation phenomena are investigated in GaN-capped AlGaN/GaN HEMTs by comparing experimental data with numerical device simulations. Under power- and OFF-state conditions, 150-h DC stresses were carried out. Degradation effects characterizing both stress experiments were as follows: a drop in the dc drain current, the amplification of gate-lag effects, and a decrease in the reverse gate leakage current. Numerical simulations indicate that the simultaneous generation of surface (and/or barrier) and buffer traps can account for all of the aforementioned degradation modes. Experiments also showed that the power-state stress induced a drop in the transconductance at high gate–source voltages only, whereas the OFF-state stress led to a uniform transconductance drop over the entire gate-source-voltage range. This behavior can be reproduced by simulations provided that, under the power-state stress, traps are assumed to accumulate over a wide region extending laterally from the gate edge toward the drain contact, whereas, under the OFF-state stress, trap generation is supposed to take place in a narrower portion of the drain-access region close to the gate edge and to be accompanied by a significant degradation of the channel transport parameters. Channel hot electrons and electric-field-induced strain-enhancement are finally suggested to play major roles in power-state and off-state degradation, respectively. • Traps are characterized in AlGaN-GaN HEMTs by means of DLTS techniques and the associated charge/discharge behavior is interpreted with the aid of numerical device simulations. Under specific bias conditions, buffer traps can produce ‘‘false’’ surface-trap signals, i.e. the same type of current-mode DLTS (I DLTS) or gate-lag signals that are generally attributed to surface traps. Clarifying this aspect is important for both reliability testing and device optimization, as it can lead to erroneous identification of the degradation mechanism, thus resulting in wrong correction actions on the technological process. • The physical mechanisms underlying RF current collapse effects in AlGaN-GaN high electron mobility transistors are studied by means of measurements and numerical device simulations. This work suggests the following conclusions: i) both surface and buffer traps can contribute to RF current collapse through a similar physical mechanism involving capture and emission of electrons tunneling from the gate; ii) surface passivation strongly mitigates RF current collapse by reducing the surface electric field and inhibiting electron injection into traps; iii) for surface-trap densities lower than 9 × 1012 cm-2, surface-potential barriers in the 1–2 eV range can coexist with surface traps having much a shallower energy and, therefore, inducing RF current-collapse effects characterized by relatively short time constants. • Current collapse effects are investigated in AlGaN/GaN HEMTs by means of measurements and numerical device simulations. According to pulsed measurements, the adopted devices exhibit a significant gate-lag and a negligible drain-lag ascribed to the presence of surface and buffer traps, respectively. Furthermore, illumination of the devices with two specific wavelengths can result in either a recovering of current collapse or a decrease in the gate current. On the other hand, numerical device simulations suggest that the kink effect can be explained by electron trapping into barrier traps and the subsequent electron emission after a critical electric-field value is reached.


  • Résumé

    Questa tesi riporta i risultati ottenuti da un’ampia analisi dei meccanismi fisici che limitano le prestazioni e l’affidabilità dei transistor ad alta mobilità di elettroni (HEMT) al nitruro di gallio (GaN). In particolare: • I fenomeni di degradazione ad alto campo elettrico nei GaN/AlGaN/GaN HEMT sono analizzati confrontando i dati sperimentali con i risultati delle simulazioni numeriche. Sono stati effettuati stress DC di 150 ore in condizioni di canale aperto e chiuso. Gli effetti di degradazione che hanno caratterizzato entrambi i tipi di stress sono i seguenti: una caduta nella corrente DC di drain, un’amplificazione degli effetti di gate lag, e una diminuzione della corrente inversa di gate. Le simulazioni numeriche indicano che la generazione simultanea di trappole in superficie (e/o barriera) e buffer può spiegare tutti i suddetti modi di degradazione. Le misure sperimentali hanno mostrato inoltre che lo stress a canale aperto ha causato una caduta della tranconduttanza solo ad alte tensioni VGS, mentre lo stress a canale chiuso ha provocato una caduta della transconduttanza uniforme a tutte le tensioni VGS. Questo comportamento può essere riprodotto con le simulazioni se, nel caso di stress a canale aperto, si assume che le trappole si accumulano lungo un’ampia regione che si estende lateralmente dal bordo di gate verso il contatto di drain, mentre, nel caso di stress a canale chiuso, si suppone che la generazione delle trappole abbia luogo in una più stretta porzione della zona di accesso vicino al bordo di gate e che sia accompagnata da una degradazione significativa dei parametri di trasporto del canale. Infine si propone che gli elettroni caldi del canale e l’aumento di strain indotto dal campo elettrico siano alla base delle degradazioni osservate dopo gli stress a canale aperto e chiuso rispettivamente. • Le trappole in AlGaN-GaN HEMTs sono caratterizzate usando le tecniche di DLTS e il relativo comportamento di carica/scarica é interpretato con l’aiuto delle simulazioni numeriche. Sotto particolari condizioni di polarizzazione, le trappole di buffer possono produrre falsi segnali da trappole di superficie, ossia lo stesso tipo di segnali I-DLTS e forma d’onda di gate lag attribuiti generalmente alle trappole di superficie. Chiarire questo aspetto è molto importante sia per le prove di affidabilità che per l’ottimizzazione dei dispositivi, in quanto può provocare una errata identificazione del meccanismo di degradazione, portando ad azioni correttive sbagliate nell’ottimizzazione del processo tecnologico. • I meccanismi fisici che originano il collasso di corrente RF negli HEMT AlGaN-GaN sono analizzati usando misure sperimentali e simulazioni numeriche. Questo lavoro suggerisce le seguenti condizioni: i) sia le trappole di superficie che quelle di buffer possono contribuire al collasso di corrente RF tramite un simile meccanismo fisico che coinvolge la cattura e l’emissione di elettroni provenienti dal gate; ii) la passivazione della superficie diminuisce fortemente il collasso della corrente RF tramite la riduzione del campo elettrico in superficie e la conseguente diminuzione dell’iniezione di elettroni dal gate alle trappole; iii) per densità di trappole di superficie minori di 9 × 1012 cm-2 , barriere di potenziale superficiale di 1-2 eV possono coesistere con trappole di superficie aventi energie relativamente basse e che provocano effetti di collasso di corrente RF caratterizzati da costanti di tempo relativamente corte. • Gli effetti di collasso di corrente negli HEMT AlGaN-GaN sono studiati usando i risultati delle misure sperimentali e delle simulazioni numeriche. Basandosi sulle misure delle caratteristiche d’uscita impulsate, i dispositivi utilizzati mostrano un evidente gate-lag e un trascurabile drain-lag, attribuiti alla presenza di trappole di superficie e buffer rispettivamente.


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