Impact of Schottky structure on GaN-based HEMTs reliability

par Michele Piazza

Thèse de doctorat en Electronique hyperfréquence

Sous la direction de Christian Dua et de Raymond Quéré.

Soutenue en 2012

à Limoges , en partenariat avec Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques (autre partenaire) .

mots clés

• Transistors à effet de champ à dopage modulé
• Nitrure de gallium
• Amplificateurs de puissance
• Radiofréquences
• Ondes millimétriques

Résumé

Les transistors à effet de champ à hétérostructure (HFET or HEMT) en nitrure de gallium se présentent comme des candidats à fort potentiel pour la prochaine génération d’amplificateur de puissance dans les domaines de radio fréquences et des ondes millimétriques. Ce sont ses propriétés physiques et électroniques telle qu’une grande largeur de bande interdite, un potentiel pour de forte densité de courant et un très fort champ de claquage qui le rendent supérieur aux semi-conducteurs tels que le silicium et l’arséniure de gallium. Ce manuscrit reprend des notions générales sur la fiabilité des HEMTs en GaN et décrit certains tests de vieillissement accéléré et certaines mesures complémentaires réalisés au sein du Groupe de Microélectronique de Thales – III-VLAB, en collaboration avec l’Université de Limoges (XLIM), et le laboratoire d’analyse physique de Thales Research & Technology (LATPI). Le travail se focalise sur l’impact du contact de grille sur la stabilité du transistor HEMT ; les principaux paramètres étudiés sont les deux différents contacts métalliques (en molybdène et en nickel) et les deux matériaux développés au sein du III-VLAB, AlGaN et InAlN sur buffer GaN. L’évaluation s’appuie sur des essais de stockage en température ainsi que sur des essais sous polarisation statique continue en configuration de débit. Les résultats des essais permettent de préciser la fiabilité de différents contacts et empilements métalliques, tandis que les essais en débit mettent en évidence l’effet du champ électrique et de la densité de courant sur la dégradation des transistors en condition de fonctionnement.

Résumé

Material quality and reliability issues are the key points for the industrial application of High Electron Mobility Transistors based on GaN (GaN- HEMTs). In fact, GaN HEMTs have demonstrated excellent RF power performances, thanks to their properties (such as wide bandgap, high current densities, and high breakdown field) but are still subject to various degradation mechanisms when they operate at high electric fields and/or high channel temperatures The present work recaps general notions on GaN HEMTs reliability and describes accelerated life test and complementary measurements carried out at the TRT R&D Laboratory, the III-V Lab (France), in cooperation with the University of Limoges (XLIM). Demonstration and discussion focused especially on the thermal storage and DC life test. Results of these tests provide information about the behavior of two metallization types of transistor’s gate (Molybdenum and Nickel) on two different epistaxies (AlGaN and InAlN) submitted to thermal and DC stress. Possible failure mechanisms are proposed in order to point out the impact of the gate on the transistor degradation. Special focus is set to the investigation of gate current injection mechanism in InAlN/GaN devices.