Meccanismi di intrappolamento e di perdita in dispositivi GaN

In this work we intend to discuss the results for the threshold voltage instability and the gate leakage phenomena about HEMTs with p-GaN/AlGaN/GaN gate structure. Subsequently, the evidence will be used for the developement of a compact model inside ASM-HEMT SP-based system commercially accepted in the application of integrated power electronic devices. In the first part we will present the physical nature of gallium nitride, analyzing the fundamental improvement introduced by the heterostructure based on it, with particullarly attention focused on the p-GaN/AlGaN/GaN structure. Second chapter is intended to offer an analysis on gate leakage mechanisms with measurement done both in high and low temperature to mark the thermionic and tunneling behaviour of the device. This will be useful in the Third Chapter where a compact model to overcome the limitation of the unknowability of the electric field is proposed. The results obtained in the Second Chapter will be implemented and results and main limitation of gate leakage compact modeling are discussed. Finally, in Chapter Fourth, the threshold voltage instability is discussed by means of DCT and C-V measurement for trying to understand the behaviour of traps over the whole working range of the device.

In questo lavoro intendiamo discutere i risultati riguardo l'instabilità della tensione di soglia e i fenomeni di leakage su HEMT con struttura di gate p-GaN/AlGaN/GaN. Successivamente, i risultati verranno utilizzati per lo sviluppo di un modello compatto all'interno di un sistema basato su ASM-HEMT già presente in commercio per l'applicazione di dispositivi elettronici su circuiti integrati. Nella prima parte presenteremo la natura fisica del nitruro di gallio, analizzando il fondamentale miglioramento introdotto dall'eterostruttura composta con questo semiconduttore, con particolare attenzione alla struttura p-GaN/AlGaN/GaN. Il secondo capitolo ha lo scopo di offrire un'analisi sui meccanismi di leakage di gate con misurazioni effettuate sia ad alta che a bassa temperatura per evidenziare il comportamento termoionico e di tunneling del dispositivo. Ciò sarà utile nel Terzo Capitolo dove verrà proposto un modello compatto per superare la limitazione dell'inconoscibilità del campo elettrico. Verranno implementati i risultati ottenuti nel secondo capitolo e discusso l'approccio e le principali limitazioni nella modellazione compatta della gate leak. Infine, nel quarto capitolo, viene discussa l'instabilità della tensione di soglia mediante misurazioni DCT e capacitive per cercare di comprendere il comportamento delle trappole sull'intera regione di funzionamento del dispositivo.