Caratterizzazione di Dispositivi di Potenza a Semiconduttore con Largo Band-Gap

This thesis discusses the characterization of devices based on wide-bandgap semiconductors. Such devices are of particular interest for high-power and high-frequency applications, and to date there are already commercially available devices based on Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN) that have the potential to provide performance well above conventional Silicon (Si) technology. Nevertheless, the presence of trapping and de-trapping phenomena occurring within SiC and GaN materials limit the performance of such devices well below expectations. For this reason, this dissertation focuses on the characterization of trapping and de-trapping phenomena occurring in these devices, with the aim of studying the physical underlying mechanisms. To do so, various characterization techniques such as pulsed measurements, current transients and on-the-fly characterization are used. Particularly, a new system is presented for the on-the-fly characterization of on-state resistance (RON) and threshold voltage (VTH) drifts that occur during switching operations. This system was employed for the characterization of SiC and GaN devices, highlighting the VTH instabilities in SiC (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) and the RON degradation in GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs). In the former, traps at the SiC/SiO2 interface are identified as the main cause of the instability, while in the latter case, acceptor traps in the buffer layer are considered as the main cause of the increase in on-resistance due to the Drain voltage applied in off-state. These traps are introduced by Carbon doping that is normally used to make the buffer semi-insulating and reduce leakage in GaN devices for power applications. In case of RF applications, this dopant can be replaced by a different dopant species such as Iron. Such doping, however, also introduces trap states into the GaN-buffer which are in turn responsible for drain current collapse. To study this type of trap states, both pulsed measurements and current transient measurements can be used. The first technique was applied to highlight the presence of trapping phenomena and investigate the effect of said deep levels on the breakdown voltage stability of tested devices. The second technique, on the other hand, was used to investigate the effect of the electric field and self-heating on the emission dynamics from such traps. In particular, it is shown how an increase in temperature in the device, due to self-heating, leads to an acceleration of the emission from such trap states. The observed correlation between temperature and the dynamics of traps allowed the implementation of a novel technique for estimating the temperature within GaN devices, the accuracy of which is in line with state-of-the-art techniques.

In questa tesi viene discusso il tema della caratterizzazione di dispositivi basati su semiconduttori ad elevato gap energetico. Tali dispositivi sono di particolare interesse per applicazioni ad elevata potenza ed alta frequenza e ad oggi vi sono già in commercio dispositivi basati su Carburo di Silicio (SiC) e Nitruro di Gallio (GaN) che hanno il potenziale per fornire prestazioni ben al di sopra rispetto alla convenzionale tecnologia in Silicio (Si). Nonostante ciò, la presenza di fenomeni di trapping e de-trapping che si verificano all’interno di dispositivi in SiC e GaN, limitano le prestazioni di tali dispositivi ben al di sotto rispetto alle aspettative. Per tale ragione, questa dissertazione si concentra sulla caratterizzazione dei fenomeni di trapping e de-trapping che avvengono nei dispositivi in questione, con lo scopo di studiare i meccanismi fisici alla loro base. Per fare ciò, vengono utilizzate diverse tecniche di caratterizzazione come misure impulsate, transienti di corrente e caratterizzazione on-the-fly. In particolare, viene presentato un nuovo sistema per la caratterizzazione on-the-fly dei drift di resistenza di on-state (RON) e tensione di soglia (VTH) che avvengono durante le operazioni in commutazione. Tale sistema è stato impiegato per la caratterizzazione di dispositivi SiC e GaN, mettendo in luce le instabilità della tensione di soglia nel caso SiC e della RON nel caso GaN. Nel primo caso, le trappole all’interfaccia SiC/SiO2 vengono identificate come la principale causa d’instabilità, mentre nel secondo caso, le trappole di tipo accettore all’interno del buffer sono considerate come principale causa dell’aumento di resistenza dovuta alla tensione di Drain applicata in off-state. Ciò è dovuto al drogaggio Carbon che viene normalmente utilizzato per rendere il buffer semi-isolante e ridurre il leakage nei dispositivi GaN utilizzati per applicazioni di potenza. Nel caso di applicazioni RF, tale drogaggio può essere sostituito da una diversa specie drogante come il ferro. Anche tale drogaggio, però, introduce stati trappola nel GaN-buffer che sono a loro volta responsabili per il collasso della corrente di Drain. Per studiare questo tipo di stati trappola, è possibile utilizzare sia misure impulsate che i transienti di corrente. La prima tecnica è stata applicata per mettere in luce la presenza dei fenomeni di intrappolamento ed investigare l’effetto della dinamica di tali trappole sulla stabilità della tensione di breakdown dei dispositivi testati. La seconda tecnica, invece, è stata utilizzata per studiare l’effetto del campo elettrico e dell’auto-riscaldamento sulla dinamica di emissione da tali trappole. In particolare, viene mostrato come un aumento di temperatura nel dispositivo, dovuto all’auto-riscaldamento, porta ad un’accelerazione dell’emissione da tali stati trappola. La correlazione osservata tra temperatura e dinamica di tali stati trappola, ha permesso di implementare una nuova tecnica di stima della temperatura all’interno di dispositivi in GaN, la cui accuratezza è risultata in linea con le tecniche allo stato dell’arte.