Physics-based TCAD device simulations and measurements of GaN HEMT technology for RF power amplifier applications

par Nandha kumar Subramani

Thèse de doctorat en Electronique des hautes fréquences, photonique et systèmes

Sous la direction de Jean-Christophe Nallatamby et de Raphaël Sommet.

Soutenue le 16-11-2017

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le président du jury était Dominique Baillargeat.

Le jury était composé de Jean-Christophe Nallatamby, Raphaël Sommet, Francis Doukhan, Didier Floriot, Clément Potier, Raymond Quéré.

Les rapporteurs étaient Farid Medjoub, J. michael Uren.

  • Titre traduit

    Simulations physiques et mesures du composant de technologie GaN HEMT pour les applications d'amplificateur de puissance RF


  • Résumé

    Depuis plusieurs années, la technologie de transistors à effet de champ à haute mobilité (HEMT) sur Nitrure de Gallium (GaN) a démontré un potentiel très important pour la montée en puissance et en fréquence des dispositifs. Malheureusement, la présence des effets parasites dégrade les performances dynamiques des composants ainsi que leur fiabilité à long-terme. En outre, l'origine de ces pièges et leur emplacement physique restent incertains jusqu'à aujourd'hui. Une partie du travail de recherche menée dans cette thèse est axée sur la caractérisation des pièges existant dans les dispositifs HEMTs GaN à partir de mesures de paramètre S basse fréquence (BF), les mesures du bruit BF et les mesures I(V) impulsionnelles. Parallèlement, nous avons effectué des simulations physiques basées sur TCAD afin d'identifier la localisation des pièges dans le transistor. De plus, notre étude expérimentale de caractérisation et de simulation montre que les mesures BF pourraient constituer un outil efficace pour caractériser les pièges existant dans le buffer GaN, alors que la caractérisation de Gate-lag pourrait être plus utile pour identifier les pièges de barrière des dispositifs GaN HEMT. La deuxième partie de ce travail de recherche est axée sur la caractérisation des dispositifs AlN/GaN HEMT sur substrat Si et SiC. Une méthode d’extraction simple et efficace de la résistance canal et de la résistance de contact a été mise au point en utilisant conjointement la simulation physique et les techniques de caractérisation. Le principe de l’extraction de la résistance canal est basée sur la mesure de la résistance RON. Celle-ci est calculée à partir des mesures de courant de drain IDS et de la tension VDS pour différentes valeurs de températures En outre, nous avons procédé à une évaluation complète du comportement thermique de ces composants en utilisant conjointement les mesures et les simulations thermiques tridimensionnelles (3D) sur TCAD. La résistance thermique (RTH) a été extraite pour les transistors de différentes géométries à l'aide des mesures et ensuite validée par les simulations thermiques sur TCAD.


  • Résumé

    GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs) have demonstrated their capabilities to be an excellent candidate for high power microwave and mm-wave applications. However, the presence of traps in the device structure significantly degrades the device performance and also detriments the device reliability. Moreover, the origin of these traps and their physical location remains unclear till today. A part of the research work carried out in this thesis is focused on characterizing the traps existing in the GaN/AlGaN/GaN HEMT devices using LF S-parameter measurements, LF noise measurements and drain-lag characterization. Furthermore, we have used TCAD-based physical device simulations in order to identify the physically confirm the location of traps in the device. Moreover, our experimental characterization and simulation study suggest that LF measurements could be an effective tool for characterizing the traps existing in the GaN buffer whereas gate-lag characterization could be more useful to characterize the AlGaN barrier traps of GaN HEMT devices. The second aspect of this research work is focused on characterizing the AlN/GaN/AlGaN HEMT devices grown on Si and SiC substrate. We attempt to characterize the temperature-dependent on-resistance (RON) extraction of these devices using on-wafer measurements and TCAD-based physical simulations. Furthermore, we have proposed a simplified methodology to extract the temperature and bias-dependent channel sheet resistance (Rsh) and parasitic series contact resistance (Rse) of AlN/GaN HEMT devices. Further, we have made a comprehensive evaluation of thermal behavior of these devices using on-wafer measurements and TCAD-based three-dimensional (3D) thermal simulations. The thermal resistance (RTH) has been extracted for various geometries of the device using measurements and validated using TCAD-thermal simulations.


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