Riassunto analitico
In questa tesi esaminiamo il comportamento dei transistor in Nitruro di Gallio ad alta mobilità elettronica, con una particolare attenzione alla caratterizzazione del breakdown di dispositivi che operano a Radio Frequenza. Infatti, le caratteristiche più importanti richieste al giorno d'oggi in termini di perdite di commutazione e di grandi tensioni di rottura sono soddisfatte dai dispositivi in GaN; in particolare, la presenza di un semiconduttore a largo Energy Gap è la caratteristica chiave per migliorare la tensione operativa per le applicazioni di potenza. In questo lavoro si ha la caratterizzazione di dispositivi che presentano diverse geometrie e dimensioni direttamente su wafer e per questo scopo si sfruttano misurazioni impulsate che sono le più affidabili per testare dispositivi RF. Il primo obiettivo è la realizzazione del banco di misura, realizzato sfruttando diversi strumenti ed un software di alto livello come LabView per l'automatizzazione del sistema. Il banco di misura richiede anche un circuito in grado di generare gli impulsi ad elevato voltaggio necessari per eccitare il terminale di drain del dispositivo sotto test, e per questo motivo il progetto di tale componente è stato sviluppato e riportato in dettaglio. Una volta che il Setup di misura è pronto, il banco deve essere validato per avere la certezza di procedere in modo sicuro nei test su wafer. L'obiettivo principale è quello di caratterizzare la condizione di rottura dei dispositivi testati, e per questo motivo il sistema è ottimizzato per questo tipo di misurazione, ma anche alcune caratteristiche aggiuntive possono essere valutate con il banco progettato, al fine di verificare alcuni aspetti interessanti relativi agli HEMT in Nitruro di Gallio. È stata osservata una forte dipendenza dalla tensione di Gate e dalla durata degli impulsi, in particolare quest'ultima è stata riconosciuta come il risultato di trappole dovute a droganti di Fe all’interno del Buffer.
La tesi è organizzata in quattro capitoli: nel Capitolo 1 possiamo trovare un'analisi delle principali peculiarità che caratterizzano i semiconduttori composti al Nitruro di Gallio, come la struttura cristallina e le sue proprietà fisiche, insieme ad alcune considerazioni sui substrati utilizzati per la crescita epitassiale del GaN. In particolare, il silicio sembra essere la piattaforma più adatta al giorno d'oggi, poiché offre il miglior compromesso tra prestazioni e costi. Nel Capitolo 2 ci si concentra principalmente sulle caratteristiche presentate dagli HEMT basati su GaN, spiegando inoltre quali siano i principali problemi relativi a questo tipo di dispositivi e come risolverli. In particolare, troviamo descritti i fenomeni di intrappolamento di carica e il meccanismo di Breakdown a valanga. Viene presentata l'adozione di piastre di campo (Field Plate) come possibile soluzione e vengono riportate le possibili tecniche per la caratterizzazione del DUT. Nel Capitolo 3 descriviamo tutti i passaggi necessari per la realizzazione di un banco di misura in grado di caratterizzare gli HEMT in Nitruro di Gallio, e in particolare riportiamo tutti i passaggi seguiti per lo sviluppo dell'hardware e del software necessari a tale scopo (come la scheda prototipale e il codice LabView). La procedura di misurazione è riportata in dettaglio e la validazione del sistema viene eseguita con attenzione. Infine, il Capitolo 4 contiene i risultati sperimentali ottenuti eseguendo le misurazioni direttamente su wafer. L'obiettivo principale è la caratterizzazione del Breakdown, ma abbiamo anche la possibilità di osservare altre caratteristiche interessanti dei dispositivi. In particolare presentiamo alcuni grafici che dimostrano le dipendenze di VB trovate, con una spiegazione dei fenomeni che le causano.
|
Abstract
In this thesis we investigate the behavior of GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs) ,with a particular focusing on the breakdown characterization of devices operating a RF. In fact, the most important peculiarities required nowadays in terms of switching losses and large breakdown voltages are met by GaN devices; in particular, the presence of a wide bandgap semiconductor is the key feature for enhancing the operating voltage for power applications. In this work we characterize devices presenting different geometries and sizes directly on wafer and for this purpose we exploit pulsed measurements that are the most reliable ones for testing RF devices. The first target is the realization of the measuring bench, carried out exploiting several instruments and an high level software like LabView for the automatization of the system. The measurement setup requires also a circuit able to generate the large pulses required for exciting the drain terminal of the device under test, and for this reason the project of such component is developed and reported in detail. Once the measuring setup is ready, the bench has to be validated for being sure to safely proceed in the tests on wafer. The main focus is to characterize the breakdown condition of the DUTs, and for this reason the system is optimized for this kind of measurement, but also some additional features can be evaluated with the designed bench, in order to verify some interesting aspects related to GaN HEMTs. A strong breakdown dependence on both gate voltage and pulse width has been observed, in particular the latter has been recognized as a result of Buffer Traps caused by Fe dopants.
The thesis is organized in four chapters: In Chapter 1 we can find an analysis on the main peculiarities characterizing Gallium Nitride semiconductor, like the crystalline structure and its physical properties, together with some considerations on the substrates used for the epitaxial growth of GaN. In particular Silicon seems to be the most suitable platform nowadays, giving the best compromise between performances and costs. In Chapter 2 we mainly focus on the characteristics presented by GaN-based HEMTs and we also explain which are the main problems related to such kind of devices and how to solve them. In particular, the trapping phenomena and breakdown mechanism are described. The field plate adoption as a possible solution is presented and the possible techniques for the DUT characterization are reported. In Chapter 3 we describe all the passages required for the realization of a measuring bench able to characterize GaN HEMTs, and in particular we report all the passages followed for developing the hardware and the software needed for this purpose (like the Prototypal Board and the LabView code). The measuring procedure is reported in detail and the validation of the system is carefully performed. Finally, Chapter 4 contains the experimental results obtained by performing measurements directly on wafer. The main focus is on the breakdown characterization, but we have also the possibility to observe other interesting features. In particular we present some graphs proving the VB dependencies found, with an explanation of the phenomena causing them.
|
