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G. Meneghesso - Dispositivi su Nitruro di Gallio. CNISMeeting Padova 19-21 Gennaio 2011

Dispositivi su Nitruro di Gallio: applicazioni e problemi di

affidabilità Gaudenzio Meneghesso

Laboratorio di Microelettronica E. Zanoni, A. Paccagnella, A. Neviani, A. Gerosa,

A. Cester, A. Bevilacqua, D. Vogrig.

Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione, Università di Padova, Italy

Via Gradenigo 6/b 35131 PADOVA, ITALY, Tel: +39-049-8277653, Fax: +39-049-8277699,

e-mail: [email protected]

Mic

roele

ctr

on

ics L

ab

ora

tory


Il GaN – Proprietà del Materiale

[1] U. K. Mishra, P. Parikh, Y.F. Wu, “AlGaN/GaN HEMTs—An Overview of Device Operation and Applications” IEEE Proc. Vol. 90, No. 6, p. 1022, June 2002.

[2] U. K. Mishra, L. Shen, T. E. Kazior, Y. F. Wu, “GaN-Based RF Power Devices and Amplifiers” IEEE Proceedings, Vol. 96, No. 2, p. 287, February 2008.


e

h

e

h

e e e e e

h h h h h

BC

BV

Lato n Lato p

Omogiunzione p-n

(ricombinazione nelle

zone neutre)

Eterogiunzione n-n-p

(ricombinazione nel

semic. a gap minore)

Eg1, n Eg2, n Eg1, p

e e e e

h h h h

e

h h h

e e E=hn2

Il dispositivo emettitore di luce: LED


Il fotone emesso ha energia pari all’Energy Gap del semiconduttore

E=1.12 eV

(infrarosso)

Si

E=1.42 eV (infrarosso)

GaAs

E~1.32.5 eV (rosso

giallo)

AlyInxGaP1-x-y

E~2.56 eV (verde

UV)

AlyInxGaN1-x-

y

…

Emissione nel visibile

Il GaN – Proprietà ottiche



Non plastica

colorata


LED: Applicazioni


LED: Illuminazione a stato solido


Marker Light

Corporate Lighting

WellnessLightin

g

General Lighting

201

0

2003

2005

>100

lm/W

15 - 40

lm/W

w/o with night vision

Architectural

Lighting

>50 lm/W

LED: Applicazioni


Le potenzialità del GaN anche nei transistors

Slide 10

High Power

Density

High

voltage

operation

High

frequency

Low-noise (Robust high dynamic

range receivers)

High temperature operation

BV Field

[V/mm]

TjMAX [°C]

Noise

Figure

[dB]

FMAX

[GHz]

GaN

GaAs

Si

IMAX

[A/mm]

450

300

150

Si


Dove usare i dispositivi su GaN?


GaN HEMTs: canale elettronico senza Doping!


Dispositivi HEMTs su GaN

A. Chini, R. Coffie, G. Meneghesso, E. Zanoni, D. Buttari, S. Heikman, S. Keller,

and U. K. Mishra

“A 2.1A/mm Current Density AlGaN/GaN HEMT” IEE Electronics Letters, vol. 39, N. 7, April 2003, pp. 625-626


[3] Y.-F. Wu, M. Moore, A. Saxler, T. Wisleder and P. Parikh ―40-W/mm Double Field-plated GaN HEMTs‖, Device Research Conference, . 151, 2006

GaN-HEMTs – prestazioni record


Applications

GaN-HEMTs – prestazioni record


“The peak efficiency of 98% at 214 W

is the highest for a hard-switched

converter at 1 MHz to date”

@ 300-W output power

@ 1 MHz


Finora tutto OK, ma adesso Ora arrivano le ….


Non esiste un substrato di GaN

Nucleation

Substrate

(~300- 400 microns)

AlGaN (24-30% Al) 30 nm

Insulating GaN

(~1 micron )

GaN 2 nm

Channel

C Conc. 1x1013 cm-2

Resistivity 400-700 ohms / sq

250nm Substrate

GaN

AlGaN

Al2O3, SiC, Si

GaN

AlGaN

NL

• no native substrate of reasonable size

• heteroepitaxy of (0001) GaN typically on

sapphire, silicon carbide or silicon

• the material is highly defective and leads to

severe reliability issues


Degradazione e affidabilità

0.1 1 10 100 10000.8

0.9

1.0

D5 Tch=200°C (Tb=50°C)

D8 Tch=222°C (Tb=75°C)

D6 Tch=245°C (Tb=75°C)

D4 Tch=293°C (Tb=100°C)

I DS

S (

t)/ I D

SS(0

) [%

]

Life time [h]

-15% IDSS

drop

IDSS

@ VDS

=10Volt

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 5 10 15 20VDS(V)

I DS(A

/mm

)

VGS from 0V to -4V (step -1V)

PW/Period=1us/100us

(VG_bl,VD_bl)=(0V,0V)

(VG_bl,VD_bl)=(-8V,0V)

(VG_bl,VD_bl)=(-8V,20V)

Selex SLX_0P test JIG_device 6 (WG=1.2mm, LG=0.5um, LDS=3.7um)

Slump Ratio (VDS=1V; VGS=0V)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

S.R

. (a

.u.)

SLX_0P PCM A_m1

SLX_0P PCM B_m1

SLX_0P testJIG_disp 5



TCH

293°C

TCH

200°C

TCH

245°C


Defects in the

active layer

(non-rad rec.,

impurity

diffusion, In-

related effects)

Degradation of

the phosphorous

layer

Detachment of

the bonding wire

Aluminum plate

Detachment

from the

copper frame

Browning of

the lens and

package

material

Degradation

of ohmic

contacts

(Mg-related)

Degradazione e affidabilità


Applications Non esiste un substrato GaN

GaN presenta una difettosotà molto alta

I substrati/EPI sono molto costosi

Processing non è facile

Realizzazione di contatti difficile

L’affidabilità e anche molto critica

Problemi tecnologici e di materiali


Laboratorio di Microelectronica


Attività di ricerca in corso:

Optoelettronica • Progetto Industria 2015 – ALADIN e un progetto Cariparo

(con Dip. Fisica, prof. Berti e prof. Gasparotto) • Progetti di ricerca con OSRAM (TV e Regensburg) • Progetto con Panasonic (Laser Diode) • Collaborazioni: IAF, EPFL, Tindall, ….

Transistors • Progetti Europei (ALINWON, MANGA) • Progetto con Panasonic (GaN Power HEMTs) • Progetto con ESA e ASI (GaN HEMTS microwave) • Progetto di Ateneo (GaN Power) • Progetto con Selex-SI (Finmeccanica) • Collab. Con UCSB, 5-5Labs, IAF, FBH, IMEC, Toyota …)


RREACT, Reliability and Radiation Effects on Advanced CMOS Technologies (Alessandro Paccagnella, Gaudenzio Meneghesso) Reliability and Radiation Effects on Advanced CMOS Technologies (including latch-up and ESD effects) BIO-RREACT Biochips and biosensors (Alessandro Paccagnella) Development of DNA chips, biochip for microelectroporation, lab-on-chip based on microfluidics ICARUS Integrated Circuits for Analog and Radiofrequency MicroSystems (Andrea Neviani) COMPOSER Gallium Nitride and other Compound semicOnductors Microwave, Power and OptoElectRonic applications (including reliability and radiation testing of compound semiconductor devices, GaAs, InP, GaN, SiC) (Gaudenzio Meneghesso and Enrico Zanoni) RELMEMS Reliability of Micro Electro Mechanical Systems (Gaudenzio Meneghesso) MOST Molecular and Organic Semiconductor Team (OLED, organic solar cells) (Andrea Cester) MICROPHOTOVOLTAIC The regional lab for photovoltaic of the University of Padova (Gaudenzio Meneghesso, Enrico Zanoni)

Laboratorio di Microelectronica

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