Difetti e Breakdown in dispositivi vertical GaN

This thesis project reports a summary of the experimental results for electronic devices based on the innovative compound semiconductor: the Gallium Nitride (GaN). The analysis conducted was mainly based on test structures developed by international partner universities and carried out in the DEI structures of the University of Padua. The first part of the work consists in the DC characterization of vertical GaN devices, specifically Platinum-GaN Schottky diodes. The devices are arranged in 9 wafers with different doping concentration and growth techniques, containing more than 160000 samples. Initially, general IV and CV characterizations were carried out in order to obtain information regarding the uniformity of distribution of the main leakage and entrapment phenomena. Subsequently, the use of techniques such as temperature IV characterization and electro-optic techniques, in particular the DLOS, allowed the identification and comparison of deep-level trapping phenomena. The second part is focused on the study of the main device breakdown mechanism, where relatively simple breakdown tests made it possible to identify the main breakdown voltage thresholds, identifying the catastrophic breakdown typology. Further insights are provided by applying EMI stress steps, with which interesting results regarding the failure spots positions have been obtained. In particular, it has been discovered that the devices can emit light in reverse polarization by applying critical electric fields.

Questo lavoro riporta un sunto dei risultati sperimentali e di modelli per dispositivi elettronici basati sulla lega di semiconduttore innovativa: il nitruro di gallio (GaN).L'analisi condotta è basata principalmente su strutture di test sviluppate da università partner internazionali ed effettutate nelle strutture dell'università degli studi di padova. La prima parte del lavoro consiste nella caratterizzazione DC di dispositivi vertical GaN, nello specifico diodi Schottky. I dispositivi sono disposti in in 9 wafer con diverso drogaggio e tecniche di crescita, contententi piu di 160000 campioni. Inizialmente sono state effettuate caratterizzazioni IV e CV generali in modo da ottenere informazioni riguardo l'uniformità di distribuzione dei principali fenomeni di leakage e intrappolamento. Successivamente, l'utilizzo di tecniche come IV in temperatura e elettrottiche, come le DLOS, hanno consentito l'individuazione ed il confronto di trappole a livello profondo. La seconda parte si è invece focalizzata sullo studio del principale meccanismo di breakdown dei dispositivi, dove dei semplici test di breakdown hanno consentito di individuare le principali soglie di rottura. Procedendo con degli step stress con EMI, risultati interessanti riguardo le zone di rottura sono stati ottenuti, in particolare si è scoperto che i dispositivi emettono luce in polarizzazione inversa applicando campi elettrici critici.