Investigation into trapping mechanisms and impact on performances and reliability of GaN HEMTs through physical simulation and electro-optical characterization

par Kalparupa Mukherjee

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Nathalie Labat et de Arnaud Curutchet.

Soutenue le 20-12-2018

à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Évaluation des technologies hyperfréquences (III-V) (équipe de recherche) et de Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Investigation des mécanismes de piégeage par simulation physique et caractérisation électro-optique et impact sur les performances et la fiabilité des HEMTs GaN


  • Résumé

    Le Nitrure de Gallium est devenu un matériau incontournable pour le développement de dispositifs semi-conducteurs aux performances très supérieures aux composants silicium. L'immense potentiel du dispositif HEMT AlGaN / GaN provient du gaz d'électrons à haute densité et à forte mobilité formé au niveau de son hétéro-structure. Cependant, le fonctionnement sous champ électrique, température et conditions de stress élevés rend le dispositif vulnérable aux problèmes de fiabilité qui limitent son efficacité et sa durée de vie. Les pièges présents dans la structure, qui limitent la densité porteurs du canal et pénalisent la réponse du dispositif, constituent le facteur majeur déterminant plusieurs effets électriques parasites et la fiabilité du dispositif. L’industrie du GaN est confrontée à la nécessité de disposer de dispositifs de haute fiabilité si bien qu’il est nécessaire de faire des progrès dans l’analyse de l’impact des pièges pour en déduire des solutions technologiques permettant leur inhibition.La motivation de ce travail est d’identifier les signatures électriques associées à l’activité de différents pièges ainsi que leurs conséquences sur les performances et la fiabilité des HEMT GaN grâce à une étude dédiée des dispositifs de la technologie GH-25 conçue pour des applications RF de puissance fonctionnant jusqu’à 20 GHz. L’étude utilise des simulations physiques TCAD. Une analyse détaillée des effets indépendants et interdépendants est réalisée afin d'identifier l'impact relatif des pièges pour des études de cas où les caractéristiques électriques présentent des écarts importants par rapport à la réponse idéale du dispositif.La méthodologie utilisée pour développer un modèle TCAD représentatif et dérivé de la physique interne est décrite en accordant une attention particulière au courant de fuite de grille qui reflète l'influence de processus physiques fondamentaux ainsi que les effets parasites couramment rencontrés dans les dispositifs GaN. Les simulations ciblées établissent un lien entre l'observation d'un problème de fiabilité et son origine sous-jacente dans les phénomènes de piégeage.L’établissement d’associations entre la localisation spatiale des pièges et les dégradations qu’ils pourraient provoquer est un objectif important de cette thèse.Plusieurs stratégies de simulation sont présentées, permettant d’explorer le comportement des pièges en régime permanent et en régime transitoire et donnant une perception détaillée de la manière dont les paramètres des pièges affectent les caractéristiques opérationnelles. Des approches pour distinguer les interactions de pièges différents sont également décrites. L’étude centrale de cette thèse est un phénomène de courant de fuite parasite complexe, identifié dans le procédé GH 25comme conséquence du vieillissement accéléré. Connu sous le nom de «belly-shape», il représente un exemple intéressant de la façon dont les stratégies développées peuvent être appliquées pour discerner la causalité, l'impact et l'évolution des pièges responsables du phénomène. Afin d'approfondir l'analyse des modes de piégeage, nous avons procédé à des tests de vieillissement accéléré et des caractérisations électro-optiques afin de modifier la dynamique générale du mécanisme de piégeage et d'observer la modulation du mécanisme du piégeage sur la réponse du dispositif.


  • Résumé

    Gallium Nitride has emerged as a terrific contender to lead the future of the semiconductor industry beyond the performance limits of silicon.The immense potential of the AlGaN/GaN HEMT device is derived from the high density, high mobility electron gas formed at its hetero-structure. However, frequent subjection to high electric field, temperature and stress conditions makes the device vulnerable to reliability issues that restrict its efficiency and life time. A dominant contributor to several parasitic and reliability issues are traps present within the semiconductor structure which restrict the channel density and aggravate the device static and dynamic response. As the GaN industry addresses an increasing demand for superior devices, reliability analysis is of critical importance. There is a necessity to enable advancements in trap inhibition which would allow the realization of stronger, efficient devices.The motivation of this work is to recognize distinct ways in which various traps affect the performance and reliability metrics of GaN 0.25 µm HEMTs through a study of devices of the GH-25 process optimized for high power applications up to 20 GHz. The investigation employs physical TCAD simulations to provide insight and perspective to electrical and optical characterizations. Detailed analysis into independent and interrelated effects is performed to identify the relative impact of traps in circumstances presenting notable deviations from the ideal device response.The methodology to develop a representative TCAD model derived closely from internal physics is described with special focus on the sensitive gate leakage characteristic which reflects the influence of fundamental physical processes as well as parasitic effects commonly encountered in GaN HEMTs. Targeted simulations provide a pivotal link between the observation of a reliability issue and its underlying origin in trapping phenomena. Establishing associations between the spatial location of traps and the degradations they could trigger is an important objective of this thesis.Several simulation strategies that explore trapping behavior in various steady state and transient environments are discussed which allow detailed perception into the manner and extent to which trap attributes affect operational considerations. Approaches to distinguish disparate trap interactions are also described. The central case study in this thesis is an abstruse parasitic leakage phenomenon, identified in the GH 25 process as a consequence of aging stress. Referred to as the “belly shape”, it presents an interesting example of how the developed strategies can be applied to discern the causality, impact and evolution of the responsible traps. In order to take a deeper look into trapping modes, further aging and LASER characterizations are performed to alter the general occupational dynamics and observe the modulation of trap control over device response.


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