abstract: In this work, an advanced simulation study of reliability in millimeter-wave (mm-wave) GaN Devices for power amplifier (PA) applications is performed by means of a particle-based full band Cellular Monte Carlo device simulator (CMC). The goal of the study is to obtain a systematic characterization of the performance of GaN devices operating in DC, small signal AC and large-signal radio-frequency (RF) conditions emphasizing on the microscopic properties that correlate to degradation of device performance such as generation of hot carriers, presence of material defects and self-heating effects. First, a review of concepts concerning GaN technology, devices, reliability mechanisms and PA design is presented in chapter 2. Then, in chapter 3 a study of non-idealities of AlGaN/GaN heterojunction diodes is performed, demonstrating that mole fraction variations and the presence of unintentional Schottky contacts are the main limiting factor for high current drive of the devices under study. Chapter 4 consists in a study of hot electron generation in GaN HEMTs, in terms of the accurate simulation of the electron energy distribution function (EDF) obtained under DC and RF operation, taking into account frequency and temperature variations. The calculated EDFs suggest that Class AB PAs operating at low frequency (10 GHz) are more robust to hot carrier effects than when operating under DC or high frequency RF (up to 40 GHz). Also, operation under Class A yields higher EDFs than Class AB indicating lower reliability. This study is followed in chapter 5 by the proposal of a novel π-Shaped gate contact for GaN HEMTs which effectively reduces the hot electron generation while preserving device performance. Finally, in chapter 6 the electro-thermal characterization of GaN-on-Si HEMTs is performed by means of an expanded CMC framework, where charge and heat transport are self-consistently coupled. After the electro-thermal model is validated to experimental data, the assessment of self-heating under lateral scaling is considered. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2018

Ce travail de thèse présente une étude concernant la caractérisation des effets électrothermiques dans les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) en SiGe. Lors de ces travaux, deux procédés technologiques BiCMOS à l’état de l’art ont été analysés: le B11HFC de Infineon Technologies (130nm) et le B55 de STMicroelectronics (55nm).Des structures de test dédiées ont étés conçues, pour évaluer l’impact électrothermique du back end of line (BEOL) de composants ayant une architecture à un ou plusieurs doigts d’émetteur. Une caractérisation complète a été effectuée en régime continu et en mode alternatif en petit et en grand signal. De plus, une extraction des paramètres thermiques statiques et dynamiques a été réalisée et présentée pour les structures de test proposées. Il est démontré que les figures de mérite DC et RF s’améliorent sensiblement en positionnant des couches de métal sur le transistor, dessinées de manière innovante et ayant pour fonction de guider le flux thermique vers l’extérieur. L’impact thermique du BEOL a été modélisé et vérifié expérimentalement dans le domaine temporel et fréquentiel et aussi grâce à des simulations 3D par éléments finis. Il est à noter que l’effet du profil de dopage sur la conductivité thermique est analysé et pris en compte.Des topologies de transistor innovantes ont étés conçues, permettant une amélioration des spécifications de l’aire de sécurité de fonctionnement, grâce à un dessin innovant de la surface d’émetteur et du deep trench (DTI).Un modèle compact est proposé pour simuler les effets de couplage thermique en dynamique entre les émetteurs des HBT multi-doigts; ensuite le modèle est validé avec de mesures dédiées et des simulations TCAD.Des circuits de test ont étés conçus et mesurés, pour vérifier la précision des modèles compacts utilisés dans les simulateurs de circuits; de plus, l’impact du couplage thermique entre les transistors sur les performances des circuits a été évalué et modélisé. Finalement, l’impact du dissipateur thermique positionné sur le transistor a été étudié au niveau circuit, montrant un réel intérêt de cette approche. / This work is focused on the characterization of electro-thermal effects in advanced SiGe hetero-junction bipolar transistors (HBTs); two state of the art BiCMOS processes have been analyzed: the B11HFC from Infineon Technologies (130nm) and the B55 from STMicroelectronics (55nm).Special test structures have been designed, in order to evaluate the overall electro-thermal impact of the back end of line (BEOL) in single finger and multi-finger components. A complete DC and RF electrical characterization at small and large signal, as well as the extraction of the device static and dynamic thermal parameters are performed on the proposed test structures, showing a sensible improvement of the DC and RF figures of merit when metal dummies are added upon the transistor. The thermal impact of the BEOL has been modeled and experimentally verified in the time and frequency domain and by means of 3D TCAD simulations, in which the effect of the doping profile on the thermal conductivity is analyzed and taken into account.Innovative multi-finger transistor topologies are designed, which allow an improvement of the SOA specifications, thanks to a careful design of the drawn emitter area and of the deep trench isolation (DTI) enclosed area.A compact thermal model is proposed for taking into account the mutual thermal coupling between the emitter stripes of multi-finger HBTs in dynamic operation and is validated upon dedicated pulsed measurements and TCAD simulations.Specially designed circuit blocks have been realized and measured, in order to verify the accuracy of device compact models in electrical circuit simulators; moreover the impact on the circuit performances of mutual thermal coupling among neighboring transistors and the presence of BEOL metal dummies is evaluated and modeled.