High electron mobility transistors (HEMTs) realized using AlxGa1-xN/GaN are relatively new technology which is prominent for high-speed and high-power applications. Some of the main problems with this technology were identified as dynamic RDSon, current collapse and threshold voltage instabilities due to the off-state stress. What was less investigated is the effect of the off-state stress on the leakage current at lower voltages. In this work, multiple devices with various initial leakage currents are stressed at different stress conditions (drain voltage, temperature, duration) and the development of drain-source on-state resistance (RDSon), threshold voltage (Vth) and drain-source leakage current (IDSS) after stress are tracked. It was found out that devices with initially higher leakage exhibit higher RDSon and Vth before stress, which simulations attributed to the higher Al mole fraction in the back-barrier or less unintentional doping in the channel layer. During the off-state stress (VDS = 900 V), the leakage current shortly rises and then sharply drops, presumably because of the charge redistribution in the back-barrier. After the stress, no larger changes were observed for RDSon and Vth , but they were for the leakage current i.e., initially low leakage devices had post-stress leakage increase, while initially high leakage devices had post-stress leakage decrease. This is assumed to be caused by the charge redistribution. Parasitic capacitance measurements showed the rise of the pre-stress input, output and reverse transfer capacitances with the pre-stress leakage, which could presumably be explained by higher Al mole fraction inducing more charges in the channel layer, deeming higher Al mole fraction in the back-barrier as a main assumed cause for all the observed effects. After the stress, capacitance changes were tentatively explained by the charge redistribution in the back-barrier. Finally, high temperature was shown to significantly reduce the observed long time to recovery. However, more measurements are needed to further observe this influence. Additionally, more experiments (e.g., on wafer, G-ω measurement, etc.) are needed in general to further investigate the mechanisms behind these memory effects. / Transistorer med extra hög elektronmobilitet, sk HEMT-ar (high electron mobility transistor) kan fabriceras med hjälp av materialen galliumnitrid (GaN) och aluminium-galliumnitrid (AlxGa1-xN). GaN HEMT-ar lämpar sig mycket väl för kraftkomponenter för höga frekvenser. Några av problemen med denna nya teknologi är hög resistans mellan ”drain” och ”source”, RDSon, reduktion av mättnadsströmmen (”current collapse”) och instabiliteter hos styrets tröskelspänning (Vth) när komponenterna stressas i avslaget tillstånd. Mindre känt är effekterna av stress för en avslagen komponent på läckströmmen (IDSS) vid låga påkänningar. I detta arbete har komponenter med varierande läckströmmar utsatts för olika typer av stress, t ex drain-spänning och höjd temperatur under olika långa tider samtidigt som parametrarna RDSon, Vth och IDSS har uppmätts. Det kunde noteras att komponenter med initialt högre läckströmmar hade högre RDSon och Vth innan de utsattes för stress, vilket med hjälp av simuleringar kunde visas bero på högre Al-molfraktion i skiktet under AlxGa1-xN-lagret, alternativt lägre dopning i kanal-lagret. Vid stress (VDS = 900 V) med komponenterna i avslaget tillstånd ökade läckströmmen kortvarigt för att sedan minska, troligtvis beroende på att laddningar omfördelas i lagret under kanal-skiktet. Efter stress sågs inte några större förändringar hos RDSon och Vth , men förändringar syntes på läckströmmen: komponenter med initialt låga läckströmmar visade ökning av läckströmmen efter stress, medan komponenter med initialt höga läckströmmar visade en post-stress minskning av läckström. Detta antas bero på den nämnda omfördelningen av laddningar djupare ner i komponenterna. Mätningar av parasitisk kapacitans visade på en ökning av pre-stress in- och ut-kapacitanserna (Ciss, Coss) samt ”gate-drain”-kapacitansen som funktion av pre-stress läckströmmar. Detta kan möjligtvis förklaras av att en högre andel Al inducerar mer laddningar i kanalen, vilket indikerar att högre Al-molfraktion i skiktet under kanal-lagret är orsaken till många av de effekter som setts. Kapacitansförändringar efter stress förklaras troligen av att laddningarna i detta lager återgår. Till sist noteras också att hög temperatur tydligt reducerade den långa tiden som komponenterna behövde för att återhämta sig. Det var också tydligt att mer mätningar är nödvändiga för att ytterligare säkerställa de uppmätta förändringarna, t ex mätningar av G-ω på icke kapslade chips, skulle kunna öka förståelsen för dessa minneseffekter.

Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: The main focus of this thesis is to document the formulation, extraction and validation of nonlinear models for the on-wafer gallium nitride (GaN) high-electron mobility (HEMT) devices manufactured at the Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC) in Leuven, Belgium. GaN semiconductor technology is fast emerging and it is expected that these devices will play an important role in RF and microwave power amplifier applications. One of the main advantages of the new GaN semiconductor technology is that it combines a very wide band-gap with high electron mobility, which amounts to higher levels of gain at very high frequencies. HEMT devices based on GaN, is a fairly new technology and not many nonlinear models have been proposed in literature. This thesis details the design of hardware and software used in the development of the nonlinear models. An intermodulation distortion (IMD) measurement setup was developed to measure the second and higher-order derivative of the nonlinear drain current. The derivatives are extracted directly from measurements and are required to improve the nonlinear model IMD predictions. Nonlinear model extraction software was developed to automate the modelling process, which was fundamental in the nonlinear model investigation. The models are implemented in Agilent’s Advanced Design System (ADS) and it is shown that the models are capable of accurately predicting the measured S-parameters, large-signal singletone and two-tone behaviour of the GaN devices. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die hoofdoel van hierdie tesis is om die formulering, ontrekking en validasie van nie-lineêre modelle vir onverpakte gallium nitraat (GaN) hoë-elektronmobilisering transistors (HEMTs) te dokumenteer. Die transistors is vervaaardig by die Interuniversity Microelectronics Centre (IMEC) in Leuven, België. GaN-halfgeleier tegnologie is besig om vinnig veld te wen en daar word voorspel dat hierdie transistors ʼn belangrike rol gaan speel in RF en mikrogolf kragversterker toepassings. Een van die hoof voordele van die nuwe GaN-halfgeleier tegnologie is dat dit 'n baie wyd band-gaping het met hoë-elektronmobilisering, wat lei tot hoë aanwins by mikrogolf frekwensies. GaN HEMTs is 'n redelik nuwe tegnologie en nie baie nie-lineêre modelle is al voorgestel in literatuur nie. Hierdie tesis ondersoek die ontwerp van die hardeware en sagteware soos gebruik in die ontwikkeling van nie-lineêre modelle. 'n Intermodulasie distorsie-opstelling (IMD-opstelling) is ontwikkel vir die meting van die tweede en hoër orde afgeleides van die nie-lineêre stroom. Die afgeleides is direk uit die metings onttrek en moet die nie-lineêre IMD-voorspellings te verbeter. Nie-lineêre onttrekking sagteware is ontwikkel om die modellerings proses te outomatiseer. Die modelle word geïmplementeer in Agilent se Advanced Design System (ADS) en bewys dat die modelle in staat is om akkurate afgemete S-parameters, grootsein enkeltoon en tweetoon gedrag van die GaN-transistors te kan voorspel.

Dans le domaine des semi-conducteurs, la technologie silicium (principalement l’architecture CMOS) répond à la majorité des besoins du marché et, de ce fait, elle est abondamment utilisée. Ce semi-conducteur profite d’une part, de son abondance dans la nature et par conséquent de son faible coût, et d’autre part de la grande maturité de sa technologie qui est étudiée depuis un demi-siècle. Cependant, le silicium (Si) souffre de plus en plus de ses propriétés électriques limitées qui l’excluent de certains domaines dans lesquels les technologies à base de matériaux III-V sont les plus utilisées. Bien que la technologie à base de matériaux III-V, notamment les hétérostructures à base de nitrure de gallium (GaN), soit très performante par rapport à celle à base du matériau historique (le silicium), cette nouvelle technologie est toujours limitée aux applications utilisant des circuits de moyennes voire faibles densités d’intégration. Ceci limite l’utilisation de cette technologie pour la réalisation de produits à très grande valeur ajoutée. Pour s’affranchir de cette limitation, plusieurs sujets de recherche ont été entrepris ces dernières années pour intégrer au sein du même circuit des composants à base de silicium et de matériaux III-V. En effet, la possibilité d’allier les bonnes performances dynamiques de la filière GaN/III-V et la grande densité d’intégration de la technologie Si dans le même circuit constitue une avancée importante avec un potentiel d’impact majeur pour ces deux filières technologiques. L’objectif ciblé par cette nouvelle technologie est la réalisation, sur substrat Si, d’un circuit à base d’hétérostructures GaN de haute performance assurant entre autres, la détection ou l’amplification du signal via des composants III-V tandis que la partie traitement du signal sera réalisée par les circuits CMOS Si. Ce projet de recherche de doctorat s’inscrit directement dans le cadre de l’intégration monolithique d’une technologie HEMT (High Electron Mobility Transistor) à base de matériaux GaN sur CMOS. L’objectif est de développer des architectures compatibles avec la stratégie d’intégration monolithique de transistors HEMTs GaN sur Si, en prenant en compte les exigences des différentes filières, circuits CMOS et croissance/fabrication de structures HEMTs GaN.

Gallium Nitride (GaN) high electron mobility transistors (HEMTs) are becoming increasingly popular in power amplifier systems as an alternative to bulkier vacuum tube technologies. GaN offers advantages over other III-V semiconductor heterostructures such as a large bandgap energy, a low dielectric constant, and a high critical breakdown field. The aforementioned qualities make GaN a prime candidate for high-power and radiation-hardened applications using a smaller form-factor. Several different types of semiconductor substrates have been considered for their thermal properties and cost-effectiveness, and Silicon (Si) has been of increasing interest due to a balance between both factors. In this thesis, the DC, RF, and thermal characteristics of GaN HEMTs grown on Si-substrates will be investigated through a series of accelerated lifetime experiments. A figure of merit known as the critical voltage is explored and used as the primary means by which the GaN-on-Si devices are electrically strained. The critical voltage is defined as the specific voltage bias by which a sudden change in device performance is experienced due to a deformation of the target GaN HEMT’s epitaxial structure. Literature on the topic details the inevitable formation of pits and cracks localized under the drain-side of the gate contact that promote electrical degradation of the devices via the inverse piezoelectric effect. Characteristic changes in device performance due to high field strain are recorded and physical mechanisms behind observed degraded performance are investigated. The study assesses the performance of roughly 60 GaN-on-Si HEMTs in four experimental settings. The first experiment investigates the critical voltage of the device in the off-state mode of operation and explores device recovery post-stress. The second experiment analyzes alterations in DC and RF performance under varying thermal loads and tracks the dependence of the critical voltage on temperature. The third experiment examines electron trapping within the HEMTs as well as detrapping methodologies. The final experiment links the changes in RF performance induced by high field strain to the small-signal parameters of the HEMT. Findings from the research conclude the existence of process-dependent defects that originate during the growth process and lead to inherent electron traps in unstressed devices. Electron detrapping due to high electric field stress applied to the HEMTs was observed, potentially localized within the AlGaN layer or GaN buffer of the HEMT. The electron detrapping in turn contributed to drain current recovery and increased unilateral performance of the transistor in the RF regime. Thermal experiments resulted in a positive shift in critical voltage, which enhanced gate leakage current at lower gate voltage drives.

Pour augmenter la résolution globale des détecteurs à très basse température, aujourd'hui couramment utilisés dans de nombreux champs de la physique des particules et de l'univers, les expériences à venir ne pourront faire l'économie du développement d'une cryo-électronique performante, à la fois moins bruyante et plus proche du détecteur. Dans ce contexte, ce travail s'intéresse aux possibilités offertes par les gaz d'électrons bidimensionnels (2DEG) GaAlAs/GaAs à travers l'étude expérimentale de deux composants distincts : les QPC (Quantum Point Contact) et les HEMT (High Electron Mobility Transistor). En s'appuyant sur la quantification de la conductance dans les QPC, phénomène issu de la physique mésoscopique, un transistor balistique quantique fonctionnant à 4.2 K a été réalisé. Le transport électronique à travers les bandes 1D permet d'obtenir un gain en tension supérieur à 1 avec une puissance dissipée d'environ 1 nW. En raison de leur très faible capacité d'entrée, ces dispositifs constituent également des candidats idéaux pour multiplexer des matrices de bolomètres haute impédance (collaboration DCMB). Les HEMT présentent des performances compatibles avec une utilisation à basse température, ayant une puissance dissipée de ~ 100 µW et un gain supérieur à 20. Le faible bruit en tension équivalent en entrée (1.2 nV/Hz1/2 à 1 kHz et 0.13 nV/Hz1/2 à 100 kHz) ouvre la voie à leur utilisation dans la lecture de détecteur de forte impédance. Conformément à la loi de Hooge, ces performances sont obtenues au détriment d'une capacité d'entrée élevée estimée à environ 60 pF.

La conversion analogique-numérique sigma-delta passe-bande à temps continu constitue une approche intéressante pour la numérisation directe de signaux radiofréquences. Pour faire un premier pas vers des systèmes de conversion rapides et agiles basés sur cette approche, la faisabilité d'un convertisseur sigma-delta passe-bande à fréquence centrale ajustable sur une bande de fréquence limitée est étudiée au travers de la conception d'un circuit intégré prototype en technologie GaAs P-HEMT 0.2 µm.<br />L'architecture du modulateur sigma-delta comprend un filtre de boucle à structure parallèle, afin d'assurer à la fois la stabilité et la précision du dispositif, un sommateur et un comparateur. Les filtres passe-bande, constitutifs du filtre de boucle, sont du type Gm-LC à résistance négative. Le retard optimal théorique pour cette architecture est de 1,25 Te (Te : période d'échantillonnage) et ce retard est approximativement atteint grâce à un comparateur verrouillable (1,12 Te). Le réglage de la fréquence centrale s'opère par le biais de varicaps dans le résonateur d'entrée. La simulation du circuit au niveau transistor permet d'évaluer une résolution de 10 bits sur une bande de 4 MHz pour une fréquence centrale de 750 MHz et une fréquence de sur-échantillonnage de 3 GHz. La fréquence centrale du modulateur peut être abaissée à 725 MHz où la résolution atteint 9 bits. La consommation est estimée à 5,7 W. Le circuit a été implanté et la surface de la puce s'élève à 12 mm2.<br />Ce travail présente une méthodologie de conception basée sur des simulations multi-niveaux (transistor, fonctionnel). Cette approche permet d'isoler l'impact des non-idéalités de chacun des blocs au niveau circuit sur le fonctionnement général du modulateur. Des solutions sont proposées pour la correction de ces défauts. La robustesse du circuit a aussi fait l'objet d'une étude en termes de dispersions technologiques et d'éléments parasites introduits par l'implantation. Des remèdes sont proposés pour pallier ces problèmes.

Les HEMT AlGaN/GaN sont en passe de devenir incontournables dans le monde de l'amplification de puissance radiofréquence, grâce à leurs performances exceptionnelles. Cependant,en raison de la relative jeunesse de cette technologie, des études de fiabilité dans plusieurs modes de fonctionnement sont toujours nécessaires pour comprendre les mécanismes de défaillance propres à ces composants et responsables de leur vieillissement. Cette étude porte sur l'analyse des défaillances dans les transistors HEMT AlGaN/GaN de puissance,en régime de fonctionnement de type RADAR (pulsé et saturé). Elle s'appuie sur la conception d'amplificateurs de test, leur caractérisation et leur épreuve sur bancs de vieillissement. La mise en place d'une méthodologie visant à discriminer les mécanismes de dégradation prépondérants, conjointement à une analyse micro-structurale des composants vieillis, permet d'établir le lien entre l'évolution des performances électriques et l'origine physique de ces défauts.

QC 20100623

GaN-based HEMTs are among the most promising candidates for high-power and high-frequency applications; a niche for millimeter-wave technologies. Nitride materials indeed outperform other mainstream III-V materials (InP or GaAs) because of several properties, including wider bandgaps, high peak and saturation velocities, large breakdown voltages, together with good thermal conductivities. Nonetheless, the state-of-the-art of nitrides is not yet industrially mature to exploit the entire millimeter-wave range. A way to push further performance is to develop innovative designs, notably by exploring novel materials. The purpose of this research was therefore to investigate the use of boron-containing III-nitrides in high electron mobility transistors (HEMTs). The study was first conducted theoretically, through solving the Schrodinger-Poisson equation. Key parameters and relevant equations were derived to implement BGaN materials in our simulations. A GaN/ultrathin-BGaN/GaN heterojunction was showed to provide an electrostatic barrier to electrons and to improve the confinement of the two-dimensional electron gas. GaN back-barrier layers happen to limit leakage in the GaN buffer thanks to two effects: (i) a polarization-induced band discontinuity and (ii) a resistive barrier originating from excellent insulation properties of BGaN. The study was then, experimentally, several growth campaigns were carried out that led to the fabrication of devices. First, we confirmed the key characteristics of BGaN materials by electrical and optical measurements. Second, we demonstrated the evidence of a significant enhancement of performance of standard AlGaN/GaN structures by the introduction of a BGaN layer in the buffer layer. Compared to conventional AlGaN/GaN HEMTs, structures grown with BGaN back-barriers showed a significant improvement of static performances, transport properties, and trapping effects involving a limited current collapse in dynamic regime.

Le point sensible inhérent à la commercialisation d'une technologie émergente est la maturité des processus utilisés garantissant la qualité de l'épitaxie, de la métallisation du contact de grille ou encore de la passivation. Les études de fiabilité s'imposent alors comme un aspect indissociable de la maturation de la technologie. En ce sens, les composants à grands gap représentent un réel problème car les outils classiques de caractérisation ne sont pas toujours adaptés aux contraintes imposées (thermiques, RF, DC...). Dans cette thèse, nous détaillons une technique originale pour améliorer la fiabilité des dispositifs AlGaN/GaN par diffusion de deutérium et nous présentons l'ensemble des résultats issus des campagnes de mesures menées à l'aide des outils disponibles sur des lots de composants issus des filières UMS et TRT. Les principaux résultats concernent les mesures de bruit basse fréquence, la caractérisation électrique, la spectroscopie des pièges profonds et les mesures en température de courant de grille qui ont été réalisés sur des lots de composants témoins et ayant subi différents types de stress.