H-terminated vertical GaN PIN diodes: electrical analysis, stability and 2D modeling

Over the past two decades, gallium nitride (GaN) has emerged as a key material for power device fabrication, due to its exceptional electrical and thermal properties. In particular, vertical GaN devices are gaining interest for high-voltage and high-current applications, thanks to the superior scalability and performance they can offer compared to their lateral counterparts. Vertical GaN pn and Schottky diodes are often used as platforms to study the material properties, since their simple structure allows to reveal physical mechanisms that would be difficult to isolate in more complex architectures. This thesis focuses on the characterization and physical modeling of vertical GaN PIN diodes grown on a native GaN substrate. The peculiarity of these devices is their hydrogen plasma termination, which is expected to positively influence key parameters such as leakage current, breakdown voltage and reliability. The goal of this study is to assess the performance and reliability of the diodes and evaluate the impact of hydrogen plasma passivation. Attention was also given to other key aspects such as the effectiveness of Mg doping, the quality of ohmic contacts and the electrical properties of the unintentionally doped layer, to get a complete understanding of the device behavior under high-power real-life applications. Through electrical (I-V, C-V) and optical (electroluminescence) measurements performed at different temperatures, we studied the performance of the diodes and the physical mechanisms driving their behavior. After preliminary characterization, we focused our investigation on the forward conduction regime. Current stress tests were conducted, studying the evolution over time of electrical and optical parameters to identify degradation and failure mechanisms and assess long-term device reliability. A key aspect of this work is the use of Sentaurus TCAD simulations, that allows a deeper understanding of transport and degradation mechanisms, assisting in the formulation of a coherent physical model.

Negli ultimi due decenni, il nitruro di gallio (GaN) è emerso come un materiale chiave per la fabbricazione di dispositivi di potenza, grazie alle sue eccezionali proprietà elettriche e termiche. In particolare, i dispositivi verticali in GaN stanno suscitando crescente interesse per applicazioni ad alta tensione e alta corrente, grazie alla migliore scalabilità e alle prestazioni superiori che possono offrire rispetto a quelli laterali. I diodi pn e Schottky verticali in GaN sono spesso utilizzati come piattaforme per studiare le proprietà del materiale, poiché la loro struttura semplice permette di rivelare meccanismi fisici che sarebbero difficili da isolare in architetture più complesse. Questa tesi si concentra sulla caratterizzazione e modellazione fisica di diodi PIN verticali in GaN cresciuti su un substrato nativo di GaN. La particolarità di questi dispositivi è la loro terminazione al plasma di idrogeno, che si prevede possa influenzare positivamente parametri chiave come la corrente di perdita, la tensione di breakdown e l'affidabilità. L’obiettivo di questo studio è valutare le prestazioni e l’affidabilità dei diodi, e analizzare l’impatto della passivazione al plasma di idrogeno. È stata inoltre dedicata attenzione ad altri aspetti fondamentali, come l’efficacia del drogaggio con Mg, la qualità dei contatti ohmici e le proprietà elettriche dello strato drogato in modo non intenzionale, per ottenere una comprensione completa del comportamento del dispositivo in applicazioni reali ad alta potenza. Attraverso misure elettriche (I-V, C-V) e ottiche (elettroluminescenza) eseguite a diverse temperature, sono state studiate le prestazioni dei diodi e i meccanismi fisici che ne guidano il comportamento. Dopo una caratterizzazione preliminare, l’indagine si è concentrata sul regime di conduzione diretta. Sono stati condotti stress in corrente, analizzando l’evoluzione nel tempo dei parametri elettrici e ottici per identificare i meccanismi di degrado e fallimento, e valutare l’affidabilità a lungo termine del dispositivo. Un aspetto chiave di questo lavoro è l’uso di simulazioni TCAD con Sentaurus, che permettono una comprensione più approfondita dei meccanismi di trasporto e degrado, supportando la formulazione di un modello fisico coerente.