Tesis:
Aspectos estructurales, deformación y superficies en relación con la fiabilidad de transistores de alta movilidad electrónica basados en heteroestructuras de AlGaN/GaN.
- Autor: GONZALEZ-POSADA FLORES, Fernando María
- Título: Aspectos estructurales, deformación y superficies en relación con la fiabilidad de transistores de alta movilidad electrónica basados en heteroestructuras de AlGaN/GaN.
- Fecha: 2009
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: INGENIERIA ELECTRONICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/3004/
- Director/a 1º: MUÑOZ MERINO, Elías
- Director/a 2º: RIVERA DE LUCAS, Carlos
- 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.