• GaN
• HEMTs
• p-channel
• reliability
• simulations

Negli ultimi decenni il mercato tecnologico ha visto una evoluzione sempre crescente nella direzione di applicazioni ad alto contenuto informativo, quali la telefonia mobile, comunicazioni broadband/multiband o satellitari, oltre ad applicazioni militari come i radar o applicazioni in ambienti estremi. Le specifiche richieste ai dispositivi deputati a soddisfare queste esigenze sono una elevata velocità di trasmissione, una elevata efficienza, e la possibilità di operare a maggiori frequenze e a maggiore potenza. In questa ottica, due materiali hanno attirato massicci investimenti per le loro attraenti proprietà in questo senso: il Nitruro di Gallio (GaN) e il Carburo di Silicio (SiC). Il loro ampio bandgap li rende due ottimi candidati, ma è la grande versatilità del GaN ad avvantaggiare questo composto, grazie alla sua possibilità di formare eterogiunzioni con altri nitruri del gruppo III e al suo bandgap diretto, dando così vita ad un’ampia varietà di sistemi per applicazioni sia elettroniche che ottiche. Nel corso degli anni l’affidabilità dei dispositivi in GaN è stata oggetto di numerosi studi, e diverse soluzioni tecnologiche sono state studiate per ovviare ai problemi riscontrati sia in funzionamento dc che in frequenza. L’adozione di field-plate, ad esempio, ha permesso di migliorare le caratteristiche di breakdown di tali dispositivi, mentre la passivazione si è dimostrata efficace nel migliorarne le prestazioni RF.
Ad oggi svariati dispositivi basati sui nitruri del gruppo III hanno attirato l’attenzione della comunità scientifica. I diodi in GaN hanno dalla loro un’alta tensione di breakdown e un’alta velocità dei portatori; le applicazioni di potenza quali switch RF, convertitori dc-dc, nonché l’amplificazione di segnali RF rappresentano i principali campi in cui gli HFET in AlGaN/GaN trovano applicazione grazie all’alto breakdown, alla capacità di operare ad alte temperature e alle alte correnti sostenute. Diversi restano tuttavia i problemi di affidabilità, tra cui i fenomeni di degradazione osservati sia durante il funzionamento in continua, sia a radiofrequenza. Da tempo nuovi studi e nuove ricerche vengono costantemente portati avanti per ottenere un quadro sempre più ampio ed esaustivo dei fenomeni fisici che compromettono l’operatività di questi dispositivi.
In questa tesi verrà investigata l’affidabilità degli HEMT in GaN sia sul fronte del funzionamento dc sia a radiofrequenza, tramite analisi sperimentali e simulazioni, in modo da identificare e spiegare i nuovi fenomeni osservati, aggiungendo ulteriori tasselli allo studio dell’affidabilità degli HEMT in GaN. Verranno inoltre investigate le possibilità di applicazioni innovative dei nitruri del gruppo III, e in particolare del GaN: da una parte le attraenti proprietà fisiche, dall’altra la libertà di ingegnerizzazione, rendono interessante la prospettiva di strutture deputate alla conduzione per lacune, nella prospettiva di ottenere degli HEMT in GaN a canale p: finora, nonostante previsioni teoriche promettenti, l’osservazione di lacune nel nitruro di gallio è stata sporadica, pertanto verrà studiata la possibilità di ottenere un gas bidimensionale di lacune in nuove strutture basate sui nitruri del gruppo III. Verranno studiate inoltre le proprietà dell’ossido di alluminio come dielettrico di gate ad alta costante dielettrica su GaN, da una parte per le basse correnti di leakage consentite, e dall’altra per verificare la possibilità di ottenere un gas bidimensionale di lacune in strutture con GaN di tipo p.

In the last decades the technological market has been experiencing a constant increase towards applications requiring a high information content like mobile, broadband/multiband or satellite telecommunications, beside military-oriented applications like radars or extreme-environment applications. The requirements of the devices meant to satisfy these needs are a high transmission speed, a high efficiency, and the possibility to work at higher frequency, with higher efficiency. Two materials have gained attention and investments thanks to their properties: Gallium Nitride (GaN) and Silicon Carbide (SiC). They both have high bandgap, which makes them excellent candidates, but GaN is favored by its versatility, being able to form heterojunctions with other III-Nitrides, and thanks to its direct bandgap. A wide variety of systems both for electronic and optic applications can therefore be exploited. In the last years the reliability of GaN-based devices was intensively studied, and several technological solutions were engineered to overcome the problems found both in dc and in RF operation. The use of field-plates, for instance, has proven to be useful to increase the breakdown voltage, whereas passivation was found to be beneficial for the RF performance. To date, several III-N-based devices have gained the attention of scientific community. GaN-based diodes have a high breakdown voltage and a high carrier velocity; power applications like RF switches, dc-dc converters, and RF signal amplification are among the main areas of application for AlGaN/GaN HFETs thanks to their high breakdown, high operation temperature, and high currents. However, reliability problems affecting such devices include degradation both during dc and RF operation. Research has been consistently carried out to gain more and more insight on the physical phenomena compromising the behavior of such devices. In this dissertation the reliability of GaN HEMTs will be investigated in both dc and RF working conditions by means of experimental analyses and numerical simulations, in order to identify and explain the observed new phenomena. Also, the possibilities of innovative devices based on III-Nitrides, and GaN in particular, will be studied: the attractive physical properties and the degrees of freedom offered in designing such structures make the perspective of structures for hole conduction appealing in order to put the bases for actual p-channel HEMTs: so far, despite theoretical predictions, few observations of 2-dimensional hole gas (2-DHG) have been reported, therefore the possibility of hole conduction in new III-N structures will be investigated. The properties of Al2O3 as high-k dielectric on GaN will be also studied, due to the low gate leakage currents allowed, and the theoretical possibility to obtain a 2-DHG with p-type GaN.