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G. Meneghesso - Dispositivi su Nitruro di Gallio. CNISMeeting Padova 19-21 Gennaio 2011
Dispositivi su Nitruro di Gallio: applicazioni e problemi di
affidabilità Gaudenzio Meneghesso
Laboratorio di Microelettronica E. Zanoni, A. Paccagnella, A. Neviani, A. Gerosa,
A. Cester, A. Bevilacqua, D. Vogrig.
Dipartimento di Ingegneria dell'Informazione, Università di Padova, Italy
Via Gradenigo 6/b 35131 PADOVA, ITALY, Tel: +39-049-8277653, Fax: +39-049-8277699,
e-mail: [email protected]
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roele
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ab
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tory
G. Meneghesso - Dispositivi su Nitruro di Gallio. CNISMeeting Padova 19-21 Gennaio 2011
Il GaN – Proprietà del Materiale
[1] U. K. Mishra, P. Parikh, Y.F. Wu, “AlGaN/GaN HEMTs—An Overview of Device Operation and Applications” IEEE Proc. Vol. 90, No. 6, p. 1022, June 2002.
[2] U. K. Mishra, L. Shen, T. E. Kazior, Y. F. Wu, “GaN-Based RF Power Devices and Amplifiers” IEEE Proceedings, Vol. 96, No. 2, p. 287, February 2008.
G. Meneghesso - Dispositivi su Nitruro di Gallio. CNISMeeting Padova 19-21 Gennaio 2011
e
h
e
h
e e e e e
h h h h h
BC
BV
Lato n Lato p
Omogiunzione p-n
(ricombinazione nelle
zone neutre)
Eterogiunzione n-n-p
(ricombinazione nel
semic. a gap minore)
Eg1, n Eg2, n Eg1, p
e e e e
h h h h
e
h h h
e e E=hn2
Il dispositivo emettitore di luce: LED
G. Meneghesso - Dispositivi su Nitruro di Gallio. CNISMeeting Padova 19-21 Gennaio 2011
Il fotone emesso ha energia pari all’Energy Gap del semiconduttore
E=1.12 eV
(infrarosso)
Si
E=1.42 eV (infrarosso)
GaAs
E~1.32.5 eV (rosso
giallo)
AlyInxGaP1-x-y
E~2.56 eV (verde
UV)
AlyInxGaN1-x-
y
…
Emissione nel visibile
Il GaN – Proprietà ottiche
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Il dispositivo emettitore di luce: LED
G. Meneghesso - Dispositivi su Nitruro di Gallio. CNISMeeting Padova 19-21 Gennaio 2011
Il dispositivo emettitore di luce: LED
Non plastica
colorata
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LED: Applicazioni
G. Meneghesso - Dispositivi su Nitruro di Gallio. CNISMeeting Padova 19-21 Gennaio 2011
LED: Illuminazione a stato solido
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Marker Light
Corporate Lighting
WellnessLightin
g
General Lighting
201
0
2003
2005
>100
lm/W
15 - 40
lm/W
w/o with night vision
Architectural
Lighting
>50 lm/W
LED: Applicazioni
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Le potenzialità del GaN anche nei transistors
Slide 10
High Power
Density
High
voltage
operation
High
frequency
Low-noise (Robust high dynamic
range receivers)
High temperature operation
BV Field
[V/mm]
TjMAX [°C]
Noise
Figure
[dB]
FMAX
[GHz]
GaN
GaAs
Si
IMAX
[A/mm]
450
300
150
Si
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Dove usare i dispositivi su GaN?
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GaN HEMTs: canale elettronico senza Doping!
G. Meneghesso - Dispositivi su Nitruro di Gallio. CNISMeeting Padova 19-21 Gennaio 2011
Dispositivi HEMTs su GaN
A. Chini, R. Coffie, G. Meneghesso, E. Zanoni, D. Buttari, S. Heikman, S. Keller,
and U. K. Mishra
“A 2.1A/mm Current Density AlGaN/GaN HEMT” IEE Electronics Letters, vol. 39, N. 7, April 2003, pp. 625-626
G. Meneghesso - Dispositivi su Nitruro di Gallio. CNISMeeting Padova 19-21 Gennaio 2011
[3] Y.-F. Wu, M. Moore, A. Saxler, T. Wisleder and P. Parikh ―40-W/mm Double Field-plated GaN HEMTs‖, Device Research Conference, . 151, 2006
GaN-HEMTs – prestazioni record
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Applications
GaN-HEMTs – prestazioni record
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“The peak efficiency of 98% at 214 W
is the highest for a hard-switched
converter at 1 MHz to date”
@ 300-W output power
@ 1 MHz
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Finora tutto OK, ma adesso Ora arrivano le ….
G. Meneghesso - Dispositivi su Nitruro di Gallio. CNISMeeting Padova 19-21 Gennaio 2011
Non esiste un substrato di GaN
Nucleation
Substrate
(~300- 400 microns)
AlGaN (24-30% Al) 30 nm
Insulating GaN
(~1 micron )
GaN 2 nm
Channel
C Conc. 1x1013 cm-2
Resistivity 400-700 ohms / sq
250nm Substrate
GaN
AlGaN
Al2O3, SiC, Si
GaN
AlGaN
NL
• no native substrate of reasonable size
• heteroepitaxy of (0001) GaN typically on
sapphire, silicon carbide or silicon
• the material is highly defective and leads to
severe reliability issues
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Degradazione e affidabilità
0.1 1 10 100 10000.8
0.9
1.0
D5 Tch=200°C (Tb=50°C)
D8 Tch=222°C (Tb=75°C)
D6 Tch=245°C (Tb=75°C)
D4 Tch=293°C (Tb=100°C)
I DS
S (
t)/ I D
SS(0
) [%
]
Life time [h]
-15% IDSS
drop
IDSS
@ VDS
=10Volt
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 5 10 15 20VDS(V)
I DS(A
/mm
)
VGS from 0V to -4V (step -1V)
PW/Period=1us/100us
(VG_bl,VD_bl)=(0V,0V)
(VG_bl,VD_bl)=(-8V,0V)
(VG_bl,VD_bl)=(-8V,20V)
Selex SLX_0P test JIG_device 6 (WG=1.2mm, LG=0.5um, LDS=3.7um)
Slump Ratio (VDS=1V; VGS=0V)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
S.R
. (a
.u.)
SLX_0P PCM A_m1
SLX_0P PCM B_m1
SLX_0P testJIG_disp 5
SLX_0P testJIG_disp 6
SLX_0P testJIG_disp 4
TCH
293°C
TCH
200°C
TCH
245°C
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Defects in the
active layer
(non-rad rec.,
impurity
diffusion, In-
related effects)
Degradation of
the phosphorous
layer
Detachment of
the bonding wire
Aluminum plate
Detachment
from the
copper frame
Browning of
the lens and
package
material
Degradation
of ohmic
contacts
(Mg-related)
Degradazione e affidabilità
G. Meneghesso - Dispositivi su Nitruro di Gallio. CNISMeeting Padova 19-21 Gennaio 2011
Applications Non esiste un substrato GaN
GaN presenta una difettosotà molto alta
I substrati/EPI sono molto costosi
Processing non è facile
Realizzazione di contatti difficile
L’affidabilità e anche molto critica
Problemi tecnologici e di materiali
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Laboratorio di Microelectronica
G. Meneghesso - Dispositivi su Nitruro di Gallio. CNISMeeting Padova 19-21 Gennaio 2011
Laboratorio di Microelectronica
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Attività di ricerca in corso:
Optoelettronica • Progetto Industria 2015 – ALADIN e un progetto Cariparo
(con Dip. Fisica, prof. Berti e prof. Gasparotto) • Progetti di ricerca con OSRAM (TV e Regensburg) • Progetto con Panasonic (Laser Diode) • Collaborazioni: IAF, EPFL, Tindall, ….
Transistors • Progetti Europei (ALINWON, MANGA) • Progetto con Panasonic (GaN Power HEMTs) • Progetto con ESA e ASI (GaN HEMTS microwave) • Progetto di Ateneo (GaN Power) • Progetto con Selex-SI (Finmeccanica) • Collab. Con UCSB, 5-5Labs, IAF, FBH, IMEC, Toyota …)
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RREACT, Reliability and Radiation Effects on Advanced CMOS Technologies (Alessandro Paccagnella, Gaudenzio Meneghesso) Reliability and Radiation Effects on Advanced CMOS Technologies (including latch-up and ESD effects) BIO-RREACT Biochips and biosensors (Alessandro Paccagnella) Development of DNA chips, biochip for microelectroporation, lab-on-chip based on microfluidics ICARUS Integrated Circuits for Analog and Radiofrequency MicroSystems (Andrea Neviani) COMPOSER Gallium Nitride and other Compound semicOnductors Microwave, Power and OptoElectRonic applications (including reliability and radiation testing of compound semiconductor devices, GaAs, InP, GaN, SiC) (Gaudenzio Meneghesso and Enrico Zanoni) RELMEMS Reliability of Micro Electro Mechanical Systems (Gaudenzio Meneghesso) MOST Molecular and Organic Semiconductor Team (OLED, organic solar cells) (Andrea Cester) MICROPHOTOVOLTAIC The regional lab for photovoltaic of the University of Padova (Gaudenzio Meneghesso, Enrico Zanoni)
Laboratorio di Microelectronica
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