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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)
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Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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
WP3.1 Tecnologías genéricas
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Medida de rugosidad por AFM
WP3.1 Tecnologías genéricas
-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
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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
WP3.1 Tecnologías genéricas
Equipo
ICP-CVD
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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)
WP3.1 Tecnologías genéricas
-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
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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
WP3.1 Tecnologías genéricas
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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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WP3.3 Modelos físicos (USAL)
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
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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)
WP3.3 Modelos físicos (USAL)
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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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WP4.4 Mecanismos de fallo
Observación a través del sustrato pulido y adelgazado:
Observación de defectos de puerta
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WP4.4 Mecanismos de fallo
Observación a través del sustrato pulido y adelgazado:
Observación de secciones de puerta quemadas
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WP4.4 Mecanismos de fallo
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)
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WP4.4 Mecanismos de fallo
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
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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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Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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