High-frequency response and thermal effects in gan diodes and transistors: modeling and experimental characterization

• Autores: Héctor Sánchez Martín
• Directores de la Tesis: Tomás González Sánchez (dir. tes.), Ignacio Íñiguez de la Torre Mulas (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Salamanca ( España ) en 2020
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Francisco Gámiz Pérez (presid.), Javier Mateos López (secret.), Gaudenzio Meneghesso (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física Aplicada y Tecnología por la Universidad de Salamanca
• Materias:
  • Física
    • Electrónica
      • Transporte de electrones
    • Física del estado sólido
      • Semiconductores
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• Resumen
  • español

    Se han analizado diodos autoconmutantes (SSDs) y transitores de alta movilidad de electrones (HEMTs) de GaN, tanto en el régimen DC como en AC, tanto desde el punto de vista experimental como de simulaciones. Las no linealidades presentes en las curvas corriente-voltaje permiten su operación como detectores de microondas a polarización nula. A pesar de las buenas propiedades del GaN, existen problemas tecnológicos relacionados con defectos, trampas y calentamiento que deben ser investigados para perfeccionar la electrónica de potencia en el futuro.

    Medidas pulsadas y de transitorios de corriente realizadas sobre el SSD han revelado la influencia de trampas volúmicas y superficiales, observándose anomalías en las características DC e impedancia AC. Los efectos superficiales son relevantes en canales estrechos puesto que la relación superficie-volumen del dispositivo aumenta, mientras que en los dispositivos más anchos prevalece la influencia de las trampas de tipo volúmico. Las medidas muestran un incremento anómalo de la detección a bajas temperaturas, mientras que a altas frecuencias el voltaje detectado muestra una caída que atribuimos a la presencia de trampas de tipo superficial y volúmico.

    Se ha observado una fuerte dispersión a baja frecuencia tanto de la transconductanciacomo de la conductancia de salida en HEMTs de AlGaN/AlN/GaN en el rango de microondas, que atribuimos a la presencia de trampas y defectos tanto en el volumen de canal de GaN como en los contactos de fuente y drenador. Estos efectos han sido modelados mediante un circuito equivalente (SSEC) modificado, obteniéndose un acuerdo excelente con los parámetros S medidos. La geometría del dispositivo afecta a los valores de los elementos del circuito equivalente y con ello a las frecuencias de corte, siendo la longitud de puerta el parámetro más influyente. Para LG = 75 nm, ft y fmax son 72 y 89 GHz, respectivamente, en los HEMTs estudiados.

    En los SSDs caracterizados, se ha observado una potencia equivalente del ruido (NEP) de 100 - 500 pW/Hz1=2 y una responsividad de decenas de V/W con una fuente de 50 ohmios. Se ha demostrado una frecuencia de corte de unos 200 GHz junto a una respuesta cuadrática hasta 20 dBm de potencia de entrada. A bajas frecuencias, las medidas RF muestran una responsividad que reproduce bien los cálculos realizados mediante un modelo cuasiestático (QS) basado en la pendiente y la curvatura de las curvas corriente-voltaje. Polarizar los dispositivos aumenta el voltaje detectado a costa del consumo de potencia y la aparición de ruido 1/f. El modelo QS predice que la reducción de la anchura del canal mejora la responsividad, hecho que ha sido confirmado experimentalmente. El aumento del número de diodos en paralelo reduce la impedancia; cuando coincide con el triple de la impedancia de la linea de transmisión o la antena, la NEP alcanza su valor mínimo. Los diodos con puerta (G-SSDs) muestran, en espacio libre a 300 GHz, una responsividad en torno a 600 V/W y una NEP en torno a 50 pW/Hz1=2 cerca del voltaje umbral. De nuevo, se obtiene un buen acuerdo entre los resultados del modelo QS, las medidas a 900 MHz y las medidas en espacio libre a 300 GHz, todo ello por encima de la zona subumbral. La NEP mejora al aumentar el número de canales en paralelo.

    Se han comparado los resultados de la detección inyectando la señal por el drenador (DCS) y la puerta (GCS) de los HEMTs hasta 40 GHz. Para DCS, se han obtenido una responsividad en torno a 400 V/W y una NEP de 30 pW/Hz1/2, en un HEMT con LG = 150 nm a temperatura ambiente bajo condiciones de polarización nula y puerta polarizada cerca del umbral. Por otro lado, la responsividad se incrementa en GCS hasta 1.4 kV/W, con la desventaja de polarizar con una corriente de drenador de ID = 1.2 mA. Ambas configuraciones muestran una frecuencia de corte, con -3 dB de caída, en torno a 40 GHz. Resulta interesante que en GCS y a unafrecuencia suficientemente alta para cortocircuitar la rama puerta-drenador con la de la no linealidad, se consigue detectar una responsividad no nula.

    El estudio del autocalentamiento se vuelve relevante cuando los dispositivos trabajan en condiciones de alta potencia. Las simulaciones se han realizado con una herramienta Monte Carlo (MC) desarrollada por el grupo y acoplada con dos modelos térmicos: (i) modelo de resistencia térmica (TRM) y (ii) un modelo electrotérmico avanzado y que se basa en la resolución autoconsistente de la ecuación del calor independiente del tiempo. A temperatura ambiente la herramienta MC se calibró comparando con resultados experimentales de TLMs (transfer length measurement ), lográndose reproducir la densidad supercial de portadores y la movilidad. Incluyendo la resistencia de contactos, la barrera Schottky y la barrera térmica, nuestros resultados se han validado con medidas experimentales de un HEMT de dimensiones LDS = 1.5 micras y LG = 150 nm, encontrándose un acuerdo razonable. El TRM da unos resultados similares al ETM con valores de la resistencia térmica (RTH) bien calibradas. La principal ventaja del ETM es la posibilidad de obtener mapas de temperatura dentro del canal e identificar la localización de los puntos calientes. También se discute el impacto de la polarización en el SSEC y las discrepancias entre los modelos ETM y TRM. Se utilizan medidas pulsadas hasta 500 K para estimar la temperatura del canal y el valor de la RTH. Para T < 250 K, la responsividad en DCS decrece abruptamente en la región subumbral tras alcanzar un máximo, mientras que permanece constante a temperaturas T > 250 K.

  • English

    GaN-based self-switching diodes (SSDs) and high-electron-mobility transistors (HEMTs) have been analyzed in DC and AC regimes both from the point of view of experiments and simulations. The non-linearities present in their current-voltage curves allow their operation as zero-bias microwave detectors. Despite of the good properties of GaN, technological problems often related to defects, traps and heating are still issues that need to be investigated to boost the performance of future power electronics.

    Pulsed and transient measurements performed in SSDs reveal the inuence of surface and bulk traps on the DC characteristic and AC impedance. Surface trapping eects become relevant in narrow-channel SSDs as the surface-to-volume ratio of the device is increased, while in wider diodes bulk trapping eects prevail. Measurements show an anomalous enhancement of the microwave detection at low temperature, while the detected voltage exhibits a roll-o in frequency, which can be attributed to the presence of surface and bulk traps.

    Virgin AlGaN/AlN/GaN HEMTs exhibit strong low-frequency dispersion in the microwave range both in the transconductance and output conductance, attributed to the presence of traps and defects both in the volume of the GaN channel and in the source and drain contacts. These eects have been modeled by means of a modied small-signal equivalent circuit (SSEC), achieving an excellent agreement with the measured S-parameters. The device geometry aects the values of the SSEC elements and hence the cuto frequencies, the gate length being the most determinant geometrical parameter. For LG = 75 nm, ft and fmax are 72 and 89 GHz, respectively, in the HEMTs under analysis.

    In the SSDs, a noise equivalent power (NEP) of 100-500 pW/Hz1/2 and a responsivity of tens of V/W was observed with a 50 Ω source. A cuto frequency of about 200 GHz, along with a square-law response up to 20 dBm of input power, have been demonstrated. At low frequency, RF measurements exhibit a responsivity that agrees well with the calculations performed by means of a quasi-static (QS) model based on the slope and curvature of the current-voltage curve. Biasing the devices increases the detected voltage with the disadvantage of the power consumption and the excitation of 1/f noise. The QS model predicts that the reduction of the channel width improves the responsivity, what was conrmed by experiments. The increase of the number of diodes in parallel reduces the device impedance; when it coincides with 3 times that of the transmission line (or antenna) to which they are connected, the NEP reaches a minimum value. Diodes with a top-gate electrode, called gated SSDs (G-SSDs), exhibit, in free-space measurements at 300 GHz, a responsivity around 600 V/W and a NEP around 50 pW/Hz1/2 when the gate bias approaches the threshold voltage. Again, a good agreement is found, but only above sub-threshold gate bias, between the results coming from the QS model and those obtained at low frequency (900 MHz) and in free space at 300 GHz. The NEP value can be improved by increasing the number of channels in parallel.

    A comparison between the injection of the RF signal at the drain (DCS) or the gate (GCS) electrode in the HEMTs operating as detectors is performed up to 40 GHz. For DCS, a responsitivy around 400 V/W and a NEP around 30 pW/Hz1/2 were obtained in a HEMT with LG = 150 nm at room temperature under zero drain current and when the gate is biased near pinch-o conditions. On the other hand, the responsivity is strongly enhanced in GCS, up to 1.4 kV/W, but with the drawback that it is necessary to apply a supplementary drain bias of ID = 1.2 mA. Both congurations show a similar cuto frequency, with a -3 dB roll-o at about 40 GHz. Interestingly, in GCS, at a frequency high enough for the gate-to-drain branch to eectively short the RF signal to the non-linearity, a non-zero detected voltage has been recorded at zero drain current.

    When devices work at high-power conditions, the study of self-heating becomes relevant. Simulations were done by means of an in-house Monte Carlo (MC) tool coupled with two thermal models: (i) a thermal resistance model (TRM) and (ii) an advanced electrothermal model (ETM) based on the self-consistent solution of the steady-state heat conduction equation. At room-temperature, the MC tool was rst calibrated by comparison with experimental results in TLMs (transfer length measurement), so that sheet-carrier density and mobility values were replicated. Including the eects of the contact resistance, the Schottky barrier and the thermal boundary resistance, our results are validated with experimental measurements of a HEMT with LDS = 1.5 µm and LG = 150 nm, nding a reasonably good agreement. The TRM with well-calibrated values of thermal resistances (RTH) provides a similar behavior to ETM simulations. The advantage of the ETM is that it provides the temperature map inside the channel and allows to identify the hotspot location. In addition, the SSEC was obtained with MC simulations, nding a good correspondence with the experimental values of the parameters. Impact of the biasing on the SSEC elements and discrepancies between TRM and ETM calculations are discussed. Pulsed measurements up to 500 K are used to estimate the channel temperature and the value of the RTH. For T < 250 K, the responsivity in the DCS decreases abruptly in the sub-threshold region after reaching a maximum, while it remains practically constant for T > 250 K.