El Ministerio de Defensa y los materiales de gapancho...

KORRIGAN

Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010

El Ministerio de Defensa y los materiales de gap ancho

Participación del Centro de Investigación y

Desarrollo de la Armada (CIDA-ITM) en el Proyecto

KORRIGAN (2005-2009) de la Agencia Europea de Defensa

(EDA)

KORRIGAN


CDTI-Ministerio de Defensa

KORRIGAN

Key Organisation for Research in Integrated

Circuits in GaN Technology

SP3: Procesado de dispositivos:

WP 3.1 Tecnologías genéricas

WP 3.3 Modelado de dispositivos

Colaboración con Universidad de Salamanca

SP4: Fiabilidad:

WP 4.4 Mecanismos de fallo

Colaboración con Universidad de Cantabria

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Estructura de un transistor HEMT:

DRENADORPUERTA

FUENTE Contactos óhmicos de fuente y drenador

Contactos Schottky de puerta submicrónica de 8 dedos

Polímero BCB (puentes

de la conexión de

fuente)

Sustrato de SiC con

heterounión AlGaN/GaN

Pasivado dieléctrico

WP3.1 Tecnologías genéricas

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Optimización de contactos óhmicos

Estabilidad térmica

Baja resistividad

Para alcanzar estabilidad térmica a alta temperatura se introduce material

refractario, optimizando la estructura de multicapas metálicas:

Ti (20 nm)/Al (100 nm)/Ti-W (40 nm)/ Au (100 nm) (sputtering)

Recocido: 800ºC, 30 s

Para reducir la resistencia añadida por el W, ha sido necesario aplicar un

tratamiento previo en la superficie del semiconductor que reduce la

resistencia un 50%, obteniendo resistencias reproducibles de 0,5 Ωmm

5 10 15 20 2520

40

60

80

100

120

140

160

180

KQ/24

Etching 0.15 kW 30 sec

800ºC 30 sec

R (

)

Pad spacing (m)

Rc = 0.55 mm


KORRIGAN


Medida de rugosidad por AFM


-6 -4 -2 0 2 4 6

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

Cu

rre

nt

(A)

Voltage (V)

KQ/24

Etching 0.15 kW 30 sec

800ºC 30 sec

Características I-V de contactos TLM

Estación de puntas con caja de aislamiento

KORRIGAN


Capa dieléctrica de pasivado:

Protección del dispositivo de agentes

contaminantes externos

Pasivación de trampas de carga internas

(defectos)

Aportación novedosa: utilización de plasma de

alta densidad para depositar nitruro de silicio (SiNx)

sin NH3 como precursor del N


Equipo

ICP-CVD

KORRIGAN


Optimización de capa dieléctrica de pasivado:

Características eléctricas y

ópticas:

Medidas C-V

Constante dieléctrica 6,42 (10

kHz)

Voltaje de ruptura 2 a 3 MV/cm

Bandas de absorción IR

Espectros de transmisión (n,k)


-10 -5 0 5 10 15

0

2

4

6

8

10

12

14 100 kHz

10 kHz

1 MHz

Ca

pa

cit

an

ce

(p

F)

Voltage (V)

5 10 15 20 25-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

De

nsi

da

d O

ptic

a (

u.a

.)

Longitud de onda (m

estequiométrico

rico en N

ligeramente rico en Si

ligeramente rico en N

Si-N

Si-H

KORRIGAN


Optimización de capa dieléctrica de pasivado:

Adherencia de la

capa de SiNx:

Ensayos de stress

térmico (300ºC, 1300h)

Buena adherencia de

capa rica en Si

Falta de adherencia

en capas ricas en N,

que contienen H

Imprescindible

limpieza previa con

N2/N2O


KORRIGAN


WP3.3 Modelos físicos (USAL)

E (kV/cm)

100 200 300 400 500 600 700 800

Dri

ft ve

loci

ty (

10

7cm

/s)

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

InNGaN

AlN

Modelos para HEMTs de GaN:

materiales, cargas de superficie y en

la heterounión, dopaje del buffer,

efectos térmicos, etc.

La simulación Monte Carlo permite extraer

información de los procesos físicos que

ocurren en el interior de los dispositivos en el

dominio del tiempo:

• Características estáticas

• Características dinámicas (circuito

equivalente, frecuencias de corte)

• Ruido

(a)

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Ri

gd

Fuente Puerta Drenador

Cgs

Cgd

gm

Cds

Zona decargaespacial

Min

imu

m N

ois

e F

igu

re (

dB

)

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

Vgs vs NF-10-EXT Vgs vs nf(10 ) Vgs vs Col 68 Vgs vs Col 93 Vgs vs NF-26-EXT Vgs vs nf(26) Vgs vs Col 69 Vgs vs Col 94

Ass

ocia

ted

Gain

(d

B)

-5.0

0.0

5.0

10.0

VGS (V)

-6 -4 -2 0 2

No

ise R

esi

stan

ce (

)

10

100

10 GHz 26 GHz

T=300KT=400K

T=500K

T=600K

300 400 500 600 700 800

VDS(V)

0 5 10 15 20

I D(m

A/m

m)

0

200

400

600

800

1000

1200

No Roughness

Roughness 1%

VDS(V)

0 5 10 15 20

No Roughness

Roughness 1%

VGS

(V)

-8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0

gd (

mS

/mm

), f

c (

GH

z)

0

10

20

30

40

50

Ca

pa

cid

ad

es (

fF)

0

100

200

300

400

500

600

700

gm

(m

S/m

m)

0

50

100

150

200

250

VGS

(V)

-8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0

Ri (

), (

s)

10-12

10-11

10-1

100

Ri

Cgd

Cds

gd

fc

Cgs

gm

Análisis

del ruido

Características estáticas incluyendo efectos térmicos

Características dinámicas comparadas con medidas experimentales

Resultados de simulaciones de HEMTs de GaN

KORRIGAN


Grupo de Investigación en

Dispositivos Semiconductores

Cluster de 96 vías+

Cluster de 34 vías

Laboratorio de

caracterización básico

Simuladores Monte Carlo de

dispositivos de gap ancho (GaN)


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WP4.4 Mecanismos de fallo

Eliminación selectiva de capas:

Identificación de fallos por observación directa de la puerta “multifinger”

(8x75 µm) mediante:

Eliminación de capas (metalizaciones y polímero BCB) con reactivos

químicos y ataque seco

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Observación a través del sustrato pulido y adelgazado:

Observación de defectos de puerta

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Observación a través del sustrato pulido y adelgazado:

Observación de secciones de puerta quemadas

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Pruebas de envejecimiento en vehículos de test (PCM):

Degradación de la metalización de los contactos óhmicos, en vehículos de

test PCM.

Envejecimiento a 350º C durante 2000 horas

Parte de la metalización quemada

Agrietamiento en el pasivado

Aumento de la resistencia (160 %)

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20000,0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

dR

/R (

oh

m)

Time (h)

KORRIGAN



Estadística de fallos en tests de envejecimiento (2000h):

Tests de envejecimiento realizados en United Monolithic Semiconductors (UMS):

HTRB: polarización inversa en puerta a alta temperatura (200º C)

OCT: canal abierto, alta densidad de corriente (100 a 200ºC)

HTOL: portadores calientes a 300ºC

IDQ: campo eléctrico elevado, 80ºCCurva de Weibull (“bañera”)

como modelo para la tasa de fallos:

Población de tres fabricantes

Magnitud de análisis, Idss

Criterio de fallo, reducción de

Idss en un 20%

Curva dividida en tres regiones,

infantil, madurez y desgaste

Obtención de la MTTF difícil

debido a la madurez actual de la

tecnología

KORRIGAN


WP4.4 Mecanismos de fallo (UCANT)

Modelado de mecanismos de envejecimiento:

- A partir de medidas llevadas a cabo en diferentes test de fallos se han desarrollado modelos

matemáticos de la evolución temporal de las siguientes magnitudes:

Transconductancia

Corriente de Saturación de Drenador

Tensión de Pinch-Off

Corriente de Fugas en Puerta

Tensión de polarización de Puerta

- Se han realizado medidas pulsadas I/V de la fuente de corriente de Drenador sobre

dispositivos envejecidos (eléctrica y térmicamente) y vírgenes, lo que ha permitido investigar

los efectos de degradación en dispositivos GaN HEMT y su dependencia con el campo eléctrico

aplicado.

- Se han llevado a cabo medidas en continua de las resistencias parásitas y uniones

rectificadoras tanto sobre dispositivos vírgenes como envejecidos para ver cómo se degrada la

unión puerta-fuente, principal responsable de los mecanismos de fallos encontrados.

- Se han llevado a cabo medidas de envejecimiento eléctrico sobre dispositivos vírgenes,

combinadas con medidas pulsadas I/V en puntos de alto y bajo campo eléctrico. Esto ha

permitido ver como se degrada el valor de la tensión de pinch-off, a resultas de la degradación

de las propiedades físicas de la unión puerta-fuente.

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WP4.4 Mecanismos de fallo (UCANT)

Equipamiento del Departamento de Ingeniería de

Comunicaciones de UCANT:

Sistema de Medidas en el

dominio del tiempo

Sistema de Medida Pulsada I/V

Sistema de en Régimen de Continua

Analizadores vectoriales de

redes

Analizadores de espectros

Analizadores vectoriales de

señal

Criostato

Estación de puntas.

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Capacidades tecnológicas

Sala limpia con equipamiento de microelectrónica

Fabricación y caracterización de contactos óhmicos de baja

resistencia

Depósito y caracterización de capas dieléctricas pasivantes

Capacidad de simulación de heteroestructuras (USAL)

Equipamiento para tests de envejecimiento acelerado

Capacidad de análisis de dispositivos después de fallo

Medidas eléctricas de dispositivos envejecidos y modelado de

mecanismos de fallo (UCAN)

Conclusiones y futuro

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