Post on 13-Mar-2020
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
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
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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)
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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)
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
WP4.4 Mecanismos de fallo
Observación a través del sustrato pulido y adelgazado:
Observación de defectos de puerta
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
WP4.4 Mecanismos de fallo
Observación a través del sustrato pulido y adelgazado:
Observación de secciones de puerta quemadas
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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)
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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.
KORRIGAN
Materiales de gap ancho y electrónica de potencia CDTI-MINISDEF Madrid 27 abril 2010
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.
KORRIGAN
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