Impact of different epitaxial structures on performance and reliability of High Electron Mobility Transistor with scaled gate length (lg<0.15μm)

This thesis reports the results of a characterization of GaN-based, gate-scaled (Lg < 0.15 µm) HEMTs for RF applications with different epitaxial structures. Performance, stability, and reliability aspects have been taken into account, and some comparisons among the different analysed technologies have been carried out. More in detail, we investigated the impact of 1) the existence of dopants (Fe, C) in the buffer layer, 2) the adoption of different materials for the barrier layer (AlGaN, InAlGaN and InAlN), 3) the presence of back-barrier layers underneath the channel. For each technology, static and dynamic measurements were performed to evaluate the impact of short-channel effects and deep-levels on the characteristics of the devices, including double-pulse measurements and drain-current-transient measurements after OFF-state stress. The found recovery trends were then compared with the ones reported in the literature, in order to estimate nature and location of the traps responsible for the performance variation. All the analyzed solutions showed stability issues due to trapping effects, though with generally different degrees of degradation and different recovery timings. Additionally, for Fe-doped devices, an over-recovery of the drain current was observed a certain time after the stress. Finally, step-stress tests were performed on some of the iron-doped and back-barrier-based devices, observing a more severe permanent degradation in the performance for the latter with respect to former.

In questa tesi sono riportati i risultati della caratterizzazione effettuata su alcuni dispositivi HEMT in GaN, con ridotte lunghezze di gate (Lg < 0.15 µm), e con diverse strutture epitassiali. Sono state considerate le prestazioni e gli aspetti relativi alla stabilità ed all’affidabilità, e sono stati fatti alcuni confronti fra le differenti tecnologie. Entrando maggiormente nel dettaglio, è stato investigato l’impatto de: 1) la presenza di dopanti (Fe, C) nel buffer layer, 2) l’adozione di diversi materiali per il barrier layer (AlGaN, InAlGaN ed InAlN), 3) la presenza di una back-barrier layer sotto il canale. Per ogni tecnologia sono state eseguite misure statiche e dinamiche, al fine di valutare l’impatto degli “short channel effects” e dei “deep-levels” sulle caratteristiche del dispositivo, tra cui misure double-pulse e di transiente, eseguite in condizioni di OFF-state. L’evoluzione temporale delle caratteristiche dei dispositivi dopo lo stress è stata confrontata con quelle presenti in letteratura, al fine di stimare la natura e la posizione delle trappole responsabili delle variazioni di prestazioni. Tutte le soluzioni analizzate hanno mostrato problemi di stabilità dovuti alla presenza di trappole, differenziandosi per l’entità del degrado e il tempo necessario per il recupero. Inoltre, per i dispositivi drogati con ferro è stato osservato un over-recovery della corrente di drain dopo uno specifico tempo dopo lo stress. Infine, misure di tipo step-stress sono state eseguite sualcuni dispositivi drogati ferro e altri basati su back-barrier, osservando un degrado permanente della performance più significativo per i secondi rispetto ai primi.