Тепловые и механические механизмы деградаций в гетероструктурных полевых транзисторах на нитриде галлия

Цели. Гетероструктурные полевые транзисторы на нитриде галлия (GaN HFET, heterostructural field-effect transistor) являются наиболее перспективными полупроводниковыми устройствами для силовой и сверхвысокочастотной электроники. За последние 10–15 лет GaN HFET прочно заняли место в аппаратуре радиоэлектронных средств передачи, приема и обработки информации, а также в изделиях силовой электроники за счет существенных преимуществ в энергетических и тепловых параметрах. При этом вопросы обеспечения их долговременной надежности стоят не менее остро, чем для приборов на других полупроводниковых материалах. Целью исследования является обзор тепловых и механических механизмов деградаций в GaN HFET, обусловленных физико-химическими особенностями применяемых материалов, ростовыми и пост-ростовыми процессами, и способов купирования этих механизмов при разработке, производстве и эксплуатации.

Методы. Основным методом исследования является аналитический обзор результатов публикаций широкого круга специалистов в области физики полупроводников, технологии производства гетероэпитаксиальных структур и активных приборов на их основе, моделирования и проектирования модулей и аппаратуры, надежности и эксплуатации.

Результаты. Описаны причины снижения показателей качества GaN HFET, вызываемые тепловыми перегревами, механическими деградациями, проблемами с горячими электронами и фононами в нитриде галлия, а также представлен обзор исследований, посвященных этим явлениям и методам снижения их воздействия на технические параметры транзисторов и показатели качества.

Выводы. По итогам исследования отмечено, что сильные электрические поля и высокая удельная тепловая нагруженность мощных GaN HFET вызывают физические, поляризационные, пьезоэлектрические и тепловые явления, способные приводить к перераспределению механических напряжений в активной области, деградации электрических характеристик и снижению надежности транзистора в целом. Установлено, что наличие полевой платы и пассивирующего слоя из нитрида кремния SiN приводят к снижению значений механических напряжений в области затвора в 1.3–1.5 раз, эффекты тепловой деградации в усилителях класса АВ выражены сильнее, чем эффекты воздействия сильных полей в усилителях класса E, при температуре активной зоны GaN HFET более 320–350 °C резко снижается время средней наработки до отказа.

1. Акинин В.Е., Борисов О.В., Иванов К.А., Колковский Ю.В., Миннебаев В.М., Редька Ал.В. 350-Ваттный твердотельный усилитель мощности Х-диапазона частот с воздушным охлаждением. Наноиндустрия. 2020;13;S4(99):465-467. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2020.13.4s.465.467

2. Белолипецкий А.В., Борисов О.В., Колковский Ю.В., Легай Г.В., Миннебаев В.М., Редька А.В., Редька А.В. Антенный электронный блок для спутниковой АФАР Х-диапазона. Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2017;3(246):15-25.

3. Борисов О.В., Зубков А.М., Иванов К.А., Миннебаев В.М., Редька А.В. Широкополосный 70-ваттный GaN усилитель мощности Х-диапазона. Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2014;2(233):4-9.

4. Аболдуев И.М., Гарбер Г.З., Зубков А.М., Иванов К.А., Колковский Ю.В., Миннебаев В.М., Редька А.В., Ушаков А.В. Импульсный режим работы мощных СВЧ гетерополевых AlGaN/GaN транзисторов. Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2012;1(228):48-53.

5. Ghovanloo M. Dual-Heterojunction High Electron Mobility Transistors on GaAs Substrate. University of Michigan. Ann Arbor MI 48109-2122. 2008. 18 p.

6. Hamaguchi C., Miyatsuji K., Hihara H. Proposal of single quantum well transistor (SQWT) self-consistent calculations of 2D electrons in a quantum well with external voltage. Jpn. J. Appl. Phys. 1984;23(3):132-134. https://doi.org/10.1143/JJAP.23.L132

7. Morkoc H. Handbook of Nitride Semiconductors and Devices. V. 3. GaN-based Optical and Electronic Devices. Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co. 2008. 902 p. https://doi.org/10.1002/9783527628445

8. Butte R., Carlin J.-F., Feltin E., Gonschorek M., Nicolay S., Christmann G., Simeonov D., Castiglia A., Dorsaz J., Buehlmann H.J., Christopoulos S., von Hogersthal B.H., Grundy G.A.J.D., Mosca M., Pinquier C., Py M.A., Demangeot F., Frandon J., Lagoudakis P.G., Baumberg J.J., Grandjean N. Current status of AlInN layers lattice-matched to GaN for photonics and electronics. J. Phys. D: Appl. Phys. 2007;40(20):6328-6344. https://doi.org/10.1088/0022-3727/40/20/S16

9. Ramonas M., Matulionis A., Liberis J., Eastman L.F., Chen X., Sun Y.-J. Hot-phonon effect on power dissipation in a biased AlGaN/AlN/GaN channel. Phys. Rev. B. 2005;71(7):075324. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.075324

10. Kasahara K., Miyamoto N., Ando Y., Okamoto Y., Nakayama T., Kuzuhara M. Ka-band 2.3W power AlGaN-GaN heterojunction FET. IEDM Tech. Dig. 2002:667-680. https://doi.org/10.1109/IEDM.2002.1175929

11. Половко А.М. Основы теории надежности. М.: Наука; 1964. 446 с.

12. Meneghesso G., Meneghini M., Tazzoli A., et al. Reliability issues of Gallium Nitride High Electron Mobility Transistors. Int. J. Microw. Wirel. Technol. 2010;2(1):39-50. https://doi.org/10.1017/S1759078710000097

13. Колковский Ю.В., Концевой Ю.А. Проблемы надежности GaN СВЧ гетеротранзисторов. Обзор. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. 2022;4(267);27-41. https://elibrary.ru/kacktk

14. Joh J., del Alamo J.A. Critical voltage for electrical degradation of GaN high electron mobility transistors. IEEE Elect. Device Lett. 2008;29(4):287-289. https://doi.org/10.1109/LED.2008.917815

15. Joh J., del Alamo J.A. Mechanisms for electrical degradation of GaN high-electron mobility transistors. In: Proc. of the IEEE Int. Elect. Device Meeting (IEDM), Tech. Dig. 2006. P. 415-418. https://doi.org/10.1109/IEDM.2006.346799

16. Joh J., Xia L., del Alamo J.A. Gate current degradation mechanisms of GaN high electron mobility transistors. In: Proc. of the IEEE Int. Elect. Device Meeting (IEDM). 2007. P. 385-388. https://doi.org/10.1109/IEDM.2007.4418953

17. Meneghesso G., Verzellesi G., Danesin F., et al. Reliability of GaN high-electron-mobility transistors: state of the art and perspectives. IEEE Trans. Device Mater. Reliabil. 2008;8(2):332-343. https://doi.org/10.1109/TDMR.2008.923743

18. Zanoni E., Meneghesso G., Verzellesi G., et al. A review of failure modes and mechanisms of GaN-based HEMTs. In: Proc. of the IEEE Int. Elect. Device Meeting (IEDM). 2007. P. 381-384. https://doi.org/10.1109/IEDM.2007.4418952

19. Миннебаев В.М. Электрические механизмы деградации полевых гетероструктурных транзисторов на основе нитрида галлия. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. 2021;3(262):4-24. https://elibrary.ru/catpkn

20. Kittel Ch. Introduction to Solid State Physics. 8th ed. N.Y.: John Wiley & Sons Inc.; 2005. 703 р.

21. Filippov K.A., Balandin A.A. Self-Heating Effects in GaN/AlGaN Heterostructure Field-Effect Transistors and Device Structure Optimization. In: TechConnet. Briefs. V. 3. Proceed. of the ACRS Nanotech. Conf. 2003;3:333-336.

22. Manoi A., Pomeroy J.W., Killat N., Kuball M. Benchmarking of thermal boundary resistance in AlGaN/GaN HEMTs on SiC substrates: Implications of the nucleation layer microstructure. IEEE Elect. Device Lett. 2010;31(12):1395-1397. https://doi.org/10.1109/LED.2010.2077730

23. Killat N., Montes M., Pomeroy J.W., et al. Thermal Properties of AlGaN/GaN HFETs on Bulk GaN Substrates. IEEE Elect. Device Lett. 2012;33(3):366-368. https://doi.org/10.1109/LED.2011.2179972

24. Rampazzo F., Pierobon R., Pacetta D., et al. Hot carrier aging degradation phenomena in GaN based MESFETs. Microelectron. Reliability. 2004;44(9-11):1375-1380. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2004.07.017

25. Wang K., Jiang H., Liao Y., Xu Y., Yan F., Ji X. Degradation Prediction of GaN HEMTs under Hot-Electron Stress Based on ML-TCAD Approach. Electronics. 2022;11(21):3582. https://doi.org/10.3390/electronics11213582

26. Stopel A., Khramtsov A., Katz O., et al. Direct monitoring of hot-carrier accumulated charge in GaN HEMT and PHEMT devices. Proc. Of the Int. Conf. on GaAs Manufact. Technol. New Orleans. 2005;14-19. URL: https://cris.tau.ac.il/en/publications/direct-monitoring-of-hot-carrier-accumulated-charge-in-gan-hemt-a

27. Rasel M.A.J., Zhang D., Chen A., Thomas M., House S.D., Kuo W., Watt J., Islam A., Glavin N., Smyth M., Haque A., Wolfe D.E., Pearton S.J. Temperature-Induced Degradation of GaN HEMT: An In situ Heating Study. J. Vacuum Sci. Technol. B. May 2024;42(3):032209. https://doi.org/10.1116/6.0003490

28. Bosi G., Raffo A., Vadalà V., Giofrè R., Crupi G., Vannini G. A Thorough Evaluation of GaN HEMT Degradation under Realistic Power Amplifier Operation. Electronics. 2023;12(13):2939. https://doi.org/10.3390/electronics12132939

29. Dammann M., Baeumler M., Brückner P., et al. Degradation of 0.25 μm GaN HEMTs under high temperature stress test. Microelectron. Reliability. 2015;55(9-10):1667-1671. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2015.06.042

30. Joglekar A., Lian C., Baskaran R., et al. Finite Element Analysis of Fabrication- and Operation-Induced Mechanical Stress in AlGaN/GaN Transistors. IEEE Trans. Semiconduct. Manufact. 2016;29(4):349-354. https://doi.org/10.1109/TSM.2016.2600593

31. Климов А.О. Исследование термомеханического отклика кристалла ПТБШ при изменении его вертикальной ориентации в припое. Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. 2019;2(253):64-71.

32. Joh J., del Alamo J.A., Langworthy K., Xie S., Zheleva T. Role of stress voltage on structural degradation of GaN highelectron-mobility transistors. Microelectron. Reliability. 2011;51(2):201-206. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2010.08.021

33. Morkoc H. Handbook of Nitride Semiconductors and Devices. V. 3. Materials Properties, Physics and Growth. Weinheim: Wiley‐VCH Verlag GmbH & Co; 2008. 850 p. ISBN 978-3-527-40838-2

34. Ancona M.G., Binari S.C., Meyer D.J. Fully coupled thermoelectromechanical analysis of GaN high electron mobility transistor degradation. J. Appl. Phys. 2012;111(7):074504. https://doi.org/10.1063/1.3698492

35. Tsao Y.-F., Wang Y., Chiu P.-H., Hsu H.-T. Reliability Assessment of 60-GHz GaN Power Amplifier Under High-Level Input RF Stress. IEEE Trans. Elect. Devices. 2024;71(7):4087-4092. https://doi.org/10.1109/TED.2024.3397634

36. Han Y., Tang G., Lau B.L Thermal Characterization and Management of GaN-on-SiC High Power Amplifier MMIC. In: IEEE 73rd Electronic Components and Technology Conference (ECTC). IEEE; 2023. P. 1989-1993. https://doi.org/10.1109/ectc51909.2023.00342

37. Demirtas S., del Alamo J.A. Effect of Trapping on the Critical Voltage for Degradation in GaN High Electron Mobility Transistors. In: IEEE International Reliability Physics Symposium (IRPS). IEEE; 2010. P. 134-138. https://doi.org/10.1109/IRPS.2010.5488838