High-frequency response and thermal effects in gan diodes and transistorsmodeling and experimental characterization

Resumen

Se han analizado diodos autoconmutantes (SSDs) y transitores de alta movilidad de electrones (HEMTs) de GaN, tanto en el régimen DC como en AC, tanto desde el punto de vista experimental como de simulaciones. Las no linealidades presentes en las curvas corriente-voltaje permiten su operación como detectores de microondas a polarización nula. A pesar de las buenas propiedades del GaN, existen problemas tecnológicos relacionados con defectos, trampas y calentamiento que deben ser investigados para perfeccionar la electrónica de potencia en el futuro. Medidas pulsadas y de transitorios de corriente realizadas sobre el SSD han revelado la influencia de trampas volúmicas y superficiales, observándose anomalías en las características DC e impedancia AC. Los efectos superficiales son relevantes en canales estrechos puesto que la relación superficie-volumen del dispositivo aumenta, mientras que en los dispositivos más anchos prevalece la influencia de las trampas de tipo volúmico. Las medidas muestran un incremento anómalo de la detección a bajas temperaturas, mientras que a altas frecuencias el voltaje detectado muestra una caída que atribuimos a la presencia de trampas de tipo superficial y volúmico. Se ha observado una fuerte dispersión a baja frecuencia tanto de la transconductanciacomo de la conductancia de salida en HEMTs de AlGaN/AlN/GaN en el rango de microondas, que atribuimos a la presencia de trampas y defectos tanto en el volumen de canal de GaN como en los contactos de fuente y drenador. Estos efectos han sido modelados mediante un circuito equivalente (SSEC) modificado, obteniéndose un acuerdo excelente con los parámetros S medidos. La geometría del dispositivo afecta a los valores de los elementos del circuito equivalente y con ello a las frecuencias de corte, siendo la longitud de puerta el parámetro más influyente. Para LG = 75 nm, ft y fmax son 72 y 89 GHz, respectivamente, en los HEMTs estudiados. En los SSDs caracterizados, se ha observado una potencia equivalente del ruido (NEP) de 100 - 500 pW/Hz1=2 y una responsividad de decenas de V/W con una fuente de 50 ohmios. Se ha demostrado una frecuencia de corte de unos 200 GHz junto a una respuesta cuadrática hasta 20 dBm de potencia de entrada. A bajas frecuencias, las medidas RF muestran una responsividad que reproduce bien los cálculos realizados mediante un modelo cuasiestático (QS) basado en la pendiente y la curvatura de las curvas corriente-voltaje. Polarizar los dispositivos aumenta el voltaje detectado a costa del consumo de potencia y la aparición de ruido 1/f. El modelo QS predice que la reducción de la anchura del canal mejora la responsividad, hecho que ha sido confirmado experimentalmente. El aumento del número de diodos en paralelo reduce la impedancia; cuando coincide con el triple de la impedancia de la linea de transmisión o la antena, la NEP alcanza su valor mínimo. Los diodos con puerta (G-SSDs) muestran, en espacio libre a 300 GHz, una responsividad en torno a 600 V/W y una NEP en torno a 50 pW/Hz1=2 cerca del voltaje umbral. De nuevo, se obtiene un buen acuerdo entre los resultados del modelo QS, las medidas a 900 MHz y las medidas en espacio libre a 300 GHz, todo ello por encima de la zona subumbral. La NEP mejora al aumentar el número de canales en paralelo. Se han comparado los resultados de la detección inyectando la señal por el drenador (DCS) y la puerta (GCS) de los HEMTs hasta 40 GHz. Para DCS, se han obtenido una responsividad en torno a 400 V/W y una NEP de 30 pW/Hz1/2, en un HEMT con LG = 150 nm a temperatura ambiente bajo condiciones de polarización nula y puerta polarizada cerca del umbral. Por otro lado, la responsividad se incrementa en GCS hasta 1.4 kV/W, con la desventaja de polarizar con una corriente de drenador de ID = 1.2 mA. Ambas configuraciones muestran una frecuencia de corte, con -3 dB de caída, en torno a 40 GHz. Resulta interesante que en GCS y a unafrecuencia suficientemente alta para cortocircuitar la rama puerta-drenador con la de la no linealidad, se consigue detectar una responsividad no nula. El estudio del autocalentamiento se vuelve relevante cuando los dispositivos trabajan en condiciones de alta potencia. Las simulaciones se han realizado con una herramienta Monte Carlo (MC) desarrollada por el grupo y acoplada con dos modelos térmicos: (i) modelo de resistencia térmica (TRM) y (ii) un modelo electrotérmico avanzado y que se basa en la resolución autoconsistente de la ecuación del calor independiente del tiempo. A temperatura ambiente la herramienta MC se calibró comparando con resultados experimentales de TLMs (transfer length measurement ), lográndose reproducir la densidad supercial de portadores y la movilidad. Incluyendo la resistencia de contactos, la barrera Schottky y la barrera térmica, nuestros resultados se han validado con medidas experimentales de un HEMT de dimensiones LDS = 1.5 micras y LG = 150 nm, encontrándose un acuerdo razonable. El TRM da unos resultados similares al ETM con valores de la resistencia térmica (RTH) bien calibradas. La principal ventaja del ETM es la posibilidad de obtener mapas de temperatura dentro del canal e identificar la localización de los puntos calientes. También se discute el impacto de la polarización en el SSEC y las discrepancias entre los modelos ETM y TRM. Se utilizan medidas pulsadas hasta 500 K para estimar la temperatura del canal y el valor de la RTH. Para T < 250 K, la responsividad en DCS decrece abruptamente en la región subumbral tras alcanzar un máximo, mientras que permanece constante a temperaturas T > 250 K.