Aspectos estructurales, deformación y superficies en relación con la fiabilidad de transistores de alta movilidad electrónica basados en heteroestructuras de AlGaN/GaN

• Autores: Fernando María González-Posada Flores
• Directores de la Tesis: Carlos Rivera de Lucas (dir. tes.), Elías Muñoz Merino (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2009
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Millán Gómez (presid.), Fernando Calle Gómez (secret.), Ana Jiménez Martín (voc.), Germán Vergara Ogando (voc.), Alejandro Francisco Braña de Cal (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Física del estado sólido
      • Superficies
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología electrónica
      • Transistores
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • La tecnología de nitruros es actualmente la más prometedora para la fabricación de dispositivos eléctricos de alta eficiencia en potencia a altas frecuencias y temperaturas presentando un alto valor de voltaje de ruptura, aunque sus posibilidades están todavía por debajo de las expectativas teóricas. Inicialmente, el interés de esta tecnología se focalizó en aplicaciones militares para microondas, pero en la actualidad los transistores de alta movilidad electrónicas (HEMT) se han centrado en las comunicaciones para radiofrecuencia civiles, así como en otros sectores de electrónica de potencia. La comercialización ha hecho crecer el número de estudios relacionados con la fiabilidad, y consecuentemente, de mecanismos de fallo y degradación, para un mejor entendimiento de la física subyacente. Recientemente, la influencia de la distribución del campo eléctrico, la densidad de carga en la superficie y los efectos piezoeléctricos han cobrado relevancia en relación con la fiabilidad, en el caso de los nitruros del grupo III. En este sentido, se presenta una caracterización estructural, eléctrica y de la superficie, amplia y detallada, en múltiples heteroestructuras de AlGaN/GaN crecidas sobre sustratos diferentes (SiC, zafiro y silicio) por técnicas de crecimiento epitaxial similares (MBE y MOVPE). El conocimiento de la heteroestructura es fundamental para realizar simulaciones de los principales parámetros y propiedades de interés como los campos de polarización, la densidad de carga en el canal y los mecanismos de dispersión, que afectan al transporte eléctrico en las heteroestructuras y, en cualquier caso, sobre las capacidades teóricas finales de los dispositivos HEMT fabricados. La calidad cristalina de las heteroestructuras se evaluó mediante diferentes técnicas estructurales, concretamente XRD e IBA. Por otra parte, la superficie del AlGaN se analizó cualitativamente y cuantitativamente mediante XPS y AFM. Se presentan estudios concretos sobre la incorporación de aluminio en la barrera del AlGaN, la influencia en el crecimiento de las heteroestructuras de capas de adaptación y espaciadora basadas en AlN, y la presencia de hidrógeno en las heteroestructuras de AlGaN/GaN. Así mismo, se realizó un estudio detallado de la superficie de AlGaN mediante XPS, (a) después de tratamientos independientes, extraídos de pasos concretos de la fabricación de dispositivos HEMT, en relación con una superficie homogénea de referencia, sin ningún tratamiento previo; (b) sobre cuatro obleas distintas, crecidas sobre SiC, zafiro y Si, con técnicas de crecimiento similares (MBE y MOVPE) a lo largo del procesado HEMT y (c) en tres obleas similares crecidas sobre zafiro en un MOVPE con tres tratamientos previos de la superficie, basados en limpiezas orgánicas, plasma de N2 y aleados térmicos, en relación con medidas eléctricas con una sonda de Hg antes de procesar y en diodos procesados en las heteroestructuras. La conclusión principal extraída es la presencia de contaminaciones (carbono y oxígeno) en la superficie de las heteroestructuras HEMT durante el procesado, que se quedan atrapadas en las intercaras con metalizaciones y pasivantes. Se presentan diferentes métodos y combinaciones de tratamientos de la superficie para reducir la contaminación en la superficie de las heteroestructuras y en las intercaras fruto del procesado. La modificación de la superficie, mediante la limpieza de estas contaminaciones parece influir en las características del canal de electrones, responsable último del rendimiento del transistor procesado. En relación con los efectos piezoeléctricos, se han realizado estudios de estrés bajo altos campos eléctricos en transistores HEMT funcionando en corte. La degradación observada es de naturaleza cuasi-permanente, pero no parece estar relacionada con efectos piezoeléctricos sino con atrapamiento/desatrapamiento de portadores en defectos de las heteroestructuras y con la tecnología del procesado. Finalmente, se han analizado los efectos del procesado sobre las propiedades eléctricas y mecánicas de las heteroestructuras de los HEMT. Específicamente, el estado de deformación de las capas de la heteroestructura de AlGaN/GaN se ha estudiado a lo largo de diferentes pasos del procesado y las concentraciones del canal de portadores en la intercara en transistores y dispositivos de prueba. Estructuralmente, se observan ligeras modificaciones en el estado de deformación de las capas de la heteroestructura y, eléctricamente, reducciones de carga considerables en los transistores HEMT fabricados. En conclusión, se apunta que el mecanismo de fallo responsable de estas degradaciones en los transistores HEMT parece ser la modificación de la superficie del AlGaN, pues las degradaciones que involucran los efectos piezoeléctricos parecen ser de menor orden. Abstract Actually, the nitrides technology is the most promising for high power efficiency electronic device fabrication with high frequency performance and for high temperature presenting a high breakdown voltage, yet the performance of the devices are still under the expected possibilities. Initially, interest was focused in military microwave applications, and now GaN high electron mobility transistor (HEMT) are focused in civil radiofrequency communications and power electronics sectors. Commercialization has brought the need for device failure and degradation studies, and for a better understanding of the physical mechanisms involved. Recently related to reliability studies in pseudomorphic group III-nitride heterostructures, a substantial influence of field distributions, surface charge density and piezoelectric effects has raised a strong interest. In this sense, a detailed and broad study is presented concerning structural, electrical and related to the surface issues for multiple AlGaN/GaN heterostructures grown in different substrates (SiC, sapphire and silicon), with similar epitaxial growth techniques (MBE and MOVPE). The heterostructure knowledge is key for the simulation of the main parameters and properties of interest such as the polarization fields, channel carrier densities and dispersion mechanism and overall, for the final theoretical performances of the HEMT devices. The heterostructure crystalline quality is verified by different structural techniques, namely XRD and IBA. The AlGaN surface is qualitatively and quantitatively analysed with XPS and AFM. Specific studies are also presented concerning the aluminium incorporation in the AlGaN barrier, nucleation and spacer AlN-layers influence in the heterostructures growth and hydrogen incorporated in the AlGaN/GaN heterostructures. In addition, a thorough study of the AlGaN surface by means of XPS is done, (a) after independent treatments, extracted from the HEMT processing, in a homogenous reference surface with no previous modifications; (b) with four different wafers, grown on SiC, sapphire and silicon, with similar techniques (MBE and MOVPE) through the whole processing and, (c) in three similar wafers grown on sapphire by MOVPE, with three different surface pre-treatments, based in organic cleanings, N2-plasma and thermal annealings, related to electrical measurements with Hg C?V before and after the processing. The main conclusion presented is the clear presence of contamination Abstract xii (carbon and oxygen) in the heterostructure surfaces during the HEMT processing, which is trapped in the interfaces with metallizations and passivants. Different methods and surface treatment combinations are presented in order to reduce the contamination in the heterostructure surfaces and in the different processing-related interfaces. The surface modification by eliminating these contaminations seems to influence the electronchannel characteristics, foremost the HEMT transistor performance. Related to the piezoelectric effects, step-stress test were done in HEMT under high electric fields in off-state bias conditions. The observed degradations are quasipermanent intrinsically, but not to be related to piezoelectric effects, but with electron trapping in the heterostructure and to the fabrication technology itself. Finally, the effect of the processing in HEMT heterostructure electrical and mechanical properties is analysed. Specifically, the AlGaN/GaN heterostructure layers strain-state is studied during the processing together with the carrier concentrations in the interface for HEMT and test devices. In the structure, slight modifications in the strain-state of the heterostructure layers and important reductions for the charge in the fabricated HEMT devices are measured. In conclusion, the main failure mechanism responsible for the degradations in the HEMT transistors seems to be the AlGaN surface modification, thus in comparison is stronger than the degradations involving the piezoelectric effects.