PowDeR/Projects/GaNFET - MIUR PRIN 2003

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MIUR PRIN 2003 (2004/2005)

GaN heterostructure FET for wide-band communications

Coordinatore Scientifico del programma di ricerca: GHIONE Giovanni

Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca: CANALI Claudio / CHINI Alessandro

Titolo del programma dell'unità di ricerca: Characterization and modelling of deep-level effects in GaN eterostructure FETs for wide-band telecom applications

Programma di Ricerca

Nell’ambito del presente progetto di ricerca questa Unità ha il compito caratterizzare e modellizzare gli effetti dei livelli profondi nei FET a eterostruttura basati su GaN. Più in particolare i principali obiettivi della ricerca sono: 1) la caratterizzazione dei livelli profondi nei substrati epitassiati utilizzati per la realizzazione dei FET, finalizzata alla scelta di substrati ottimi con irrilevante effetto di stati profondi sia di bulk che di interfaccia che generino collasso della corrente di drain; 2) la caratterizzazione e la simulazione numerica degli effetti dei livelli profondi di superficie indotti dal processo nei FET a basso rumore, finalizzate alla scelta della passivazione ottima per la minimizzazione degli effetti di dispersione DC-rf indotti dailivelli profondi; 3) la caratterizzazione e la simulazione numerica degli effetti dei livelli profondi di superficie indotti dal processo nei FET di potenza, finalizzate alla scelta della passivazione e distanza gate-drain che diano luogo al compromesso ottimo tra dispersione DC-rf e tensione di breakdown.

Objective of the research activity is to thoroughly characterize and model deep-level effects in GaN-based heterostructure FETs. More specifically, the main tasks to be pursued by RU1 are: 1) the characterization of deep levels in epitaxial substrates used for FET fabrication, aiming at the selection of optimal substrates characterized by negligible bulk and interface deep devels inducing drain-current collapse; 2) the characterization and numerical simulation of the effects of deep levels induced by process at the device surface of low-noise FETs, aiming at the choice of optimal passivation for minimization of DC-to-rf dispersion effects induced by deep levels; 3) the characterization and numerical simulation of the effects of deep levels induced by process at the device surface of power FETs, aiming at the choice of passivation and gate-drain spacing resulting in optimal trade-off between DC-to-rf dispersion effects and breakdown voltage.

Descrizione della Ricerca eseguita e dei risultati ottenuti

L’attività svolta nel corso dei due anni di attività presso l’università di Modena e Reggio Emilia si è principalmente focalizzata sui seguenti argomenti:

1. Simulazione degli effetti dei livelli profondi in dispositivi in GaN.
2. Realizzazione di un sistema di misure impulsate per l’analisi della dispersione DC-RF.
3. Analisi e miglioramento delle prestazioni di dispositivi GaN-HEMT realizzati da Alenia Marconi Systems (AMS).
4. Messa a punto di banchi di misura per HEMT di potenza.
5. Caratterizzazione degli effetti indotti da stress ad elettroni caldi.

I principali risultati ottenuti sono stati: a) la messa a punto di metodologie di simulazione e caratterizzaione sperimentale degli effetti dei livelli profondi che limitano le prestazioni di potenza rf dei transistor in GaN; b) aver contribuito a migliorare le prestazioni dei dispositivi GaN-HEMT realizzati da SELEX-SI, suggerendo una modifica del processo di fabbricazione che ha consentito di raggiungere densità di potenza a 2GHz pari a 3W/mm (per dispositivi su substrato di zaffiro) ed efficienze del 47%. Pur essendo ancora lontani dagli attuali record di potenza per dispositivi su substrato di zaffiro (6.5W/mm [1], 12W/mm con struttura Field-Plate [2]) l’aver raggiunto densità di potenza di 3W/mm ha importanti ricadute applicative, rappresentando il primo passo nella realizzazione di dispositivi ad alte prestazioni, e ci si aspettano miglioramenti futuri sia grazie ad ulteriori miglioramenti delle attuali tecniche di processing che al miglioramento della qualità dei materiali utilizzati. c) la realizzazione di una protezione da cortocircuito per proteggere i sistemi di misura da rotture accidentali/volute di dispositivi HEMT in nitruro di gallio d) la caratterizzazione degli effetti di stress elettrici su dispositivi HEMT e la correlazione dei fenomeni dispersivi a largo segnale con quelli a piccolo segnale. Gli stati trappola responsabili di tali fenomeni dispersivi sono stati inoltre caratterizzati, ottenendo delle energie di attivazione di 0.33eV e) lo sviluppo di tecniche di processing per la realizzazione di dispositivi GaN N-face. Si è valutata l’efficacia della passivazione in SiN su tali dispositivi ed inoltre è stata effettuata una caratterizzazione completa degli stati trappola in tali dispositivi.

Bibliografia

1. A. Chini, J. Wittich, S. Heikman, S. Keller, S. P. DenBaars and U.K. Mishra “Power and Linearity Characteristics of GaN MISFESTs on Sapphire Substrate”, IEEE Electron Device Letters, Vol. 25 No. 2, Feb. 2004
   
2. A. Chini, D. Buttari, R. Coffie, S. Heikman, S. Keller and U.K. Mishra “12W/mm power density AlGaN/GaN HEMTs on sapphire substrate”, IEE Electronics Letters, Vol. 40 No. 1, Jan. 2004
   

Pubblicazioni

1. G. Meneghesso, G. Verzellesi, R. Pierobon, F. Rampazzo, A. Chini, U.K. Mishra, C. Canali, E. Zanoni,“Surface-related drain current dispersion effects in AlGaN-GaN HEMTs”, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 51(10), pp. 1554-1561, Ottobre 2004.
   
2. R. Pierobon, F. Rampazzo, G. Meneghesso, E. Zanoni, J. Bernat, M. Marso, P. Kordos, A. Basile, G. Verzellesi, “Experimental and simulated gate lag transients in unpassivated GaN/AlGaN/GaN HEMTs”, Proc. of the 13th European Workshop on Heterostructure Technology (HETECH’04), Koutouloufari (Creta), Ottobre 2004.
   
3. A. Chini, D. Buttari, R. Coffie, L. Shen, S. Heikman, S. Keller and U.K. Mishra, “DC to RF Dispersion and Off-State Breakdown in Unpassivated AlGaN/GaN HEMTs”, Proc. of the 13th European Workshop on Heterostructure Technology (HETECH’04), Koutouloufari (Creta), Ottobre 2004.
   
4. G. MENEGHESSO, R. PIEROBON, F. RAMPAZZO, G. TAMIAZZO, E. ZANONI, J. BERNAT, P. KORDOS, A.F. BASILE, CHINI A., AND G. VERZELLESI, HOT ELECTRON STRESS DEGRADATION IN UNPASSIVATED GaN/AlGaN/GaN HEMTs ON SiC. International Reliability Physics Symposium (IRPS 2005).
   
5. CHINI A., S. RAJAN, M. H. WONG, Y. FU, J. S. SPECK, U. K. MISHRA. (2005). Fabrication and Characterization of N-Face AlGaN/GaN/AlGaN HEMTs. Device Research Conference (DRC) 2005. 20-22 June 2005.
   
6. S. RAJAN, CHINI A., M. WONG, C. SUH, Y. FU, M. J. GRUNDMANN, F. WU, J. S. SPECK, U. K. MISHRA. (2005). Advanced Transistor Structures based on N-face GaN. International Symposium on Compound Semiconductors. 18-22 September 2005.
   
7. S. RAJAN, CHINI A., M. WONG, Y. FU, M. GRUDMANN, F. WU, J. S. SPECK, U. K. MISHRA. (2005). N-face AlGaN/GaN modulation-doped field effect transistors. International Conference on Nitride Semiconductors. August 28 - September 2, 2005.
   
8. CHINI A., Y. FU, S. RAJAN, J. SPECK, U. K. MISHRA. (2005). An experimental method to identify bulk and surface traps in GaN HEMTs. International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS). 18-22 September 2005.
   
9. CHINI A., M. PERONI, P. ROMANINI, C. LANZIERI, V. TEPPATI, V. CAMARCHIA, A. PASSASEO, G. VERZELLESI. (2005). Effect of CF4/O2 plasma damage on AlGaN/GaN HEMTs. 14th International Workshop on Heterostructure Technology HETECH 2005. 2-5 October 2005.