Termiczny model tranzystora HEMT na podłożu GaN/SiC

Transkrypt

1 Termiczny model tranzystora HEMT na podłożu GaN/SiC Paweł Kopyt, Daniel Gryglewski, Wojciech Wojtasiak, Wojciech Gwarek Instytut Radioelektroniki, Politechnika Warszawska ul. Nowowiejska 5/9, Warszawa Sesja Specjalna Innowacyjne technologie wielofunkcyjnych materiałów i struktur dla nanoelektroniki, fotoniki, spintroniki i technik sensorowych Pakiet zadaniowy PZ3 MODELOWANIE

2 Motywacja Wytworzone dotychczas w Instytucie Technologii Elektronowej (ITE) tranzystory HEMT zawierają pojedynczą celę, która składa się z dwóch elementarnych struktur z bramkami w układzie "π. Celowe jest przeprowadzenie analizy termicznej tych struktur, gdyż jak pokazano w () czas niezawodnej pracy tranzystora GaN/SiC HEMT ściśle zależy od maksymalnej temperatury obszaru aktywnego. Należy unikać przegrzania. Ponadto, analiza ta pozwoli na zbudowanie elektryczno-termicznego modelu tranzystora GaN HEMT z uwzględnieniem chwilowej temperatury kanału, podobnego do modelu (). Wygląd jednej z przygotowanych próbek Czas niezawodnej pracy vs. temp. kanału ( ) D. A. Gajewski, et al., Reliability of GaN/AlGaN HEMT MMIC Technology on 00-mm 4H-SiC, 6th Annual JEDEC ROCS Workshop, Indian Wells, USA, maj 6, 0. W. Wojtasiak, D. Gryglewski, Temperature-Dependent Modeling of High Power MESFET Using Thermal FDTD Method, Proc. IEEE MTT-S, Intl. Microwave Symp., Phoenix, USA, maj 00, vol., ss

3 Podłoże Jako podłoże do modelowania zastosowano materiał TG36, o następującej strukturze: domieszkowany Al 0. Ga 0.8 N i pozbawiony domieszek azotek ganu (GaN) odpowiednio o gr. 0 nm i 80 nm; rozdzielone nm warstwą dystansową azotku glinu (AlN) (spacer); obszar GaN kompensowany węglem o grubości.5 µm; warstwę buforową stanowi 70 nm AlN; podłoże to 330 µm węglika krzemu (4H-SiC) jako podłoża izolacyjnego; Łącznie grubość warstw półprzewodników A III -N wynosi ok..6 µm W jednej z opracowanych wersji modelu zamiast podłoża 4H-SiC zastosowano jako podłoże warstwę monokrystalicznego GaN o tej samej grubości (pozostałe warstwy bez zmian). Jest to podyktowane dostępnością tego materiału w kraju i rysującymi się możliwościami zastosowania takiego podłoża w przyszłości.

4 Tranzystor Tx00 Processing podłoża przeprowadzono w ITE formując dwie bramki o długości L g = µm i szerokości W g =00 µm oraz kontakty ohmowe drenu i źródła. Izolację mesy wykonano w procesie implantacji jonów. Elektrody tranzystora pokryto złotem o grubości 00 nm. W g = 00 µm µm L g = µm µm Korzystając ze stacji on-wafer w IRE zmierzono prąd nasycenia I Dsat =0 ma (@U DS = 6V). W czasie pomiarów mało-sygnałowych wyznaczono punkt pracy U DS = 8 V i I D = 40 ma optymalny dla maks. wzmocnienia wyznaczając wartość mocy rozpraszanej w tranzystora jako P dq =. W. Wartość S i MaxGain zmierzone w p. pracy

5 Model termiczny W analizie własności termicznych struktury GaN HEMT Tx00 wykorzystano pakiet ANSYS-Fluent 4.0 ( ) Wykorzystano jednak regularność badanych struktur i siatki obliczeniowe były generowane automatycznie w środowisku obliczeniowym QuickWave 3D ( ), a następnie przenoszone do narzędzia ANSYS-Fluent. Obiekt i siatka w środowisku QW3D ANSYS-Fluent 4.0, licencja krajowa dostępna w PW QuickWave 3D.0, licencja IRE Siatka wczytana do środowiska Fluent oraz wygenerowana automatycznie pliki konfiguracyjne

6 Model termiczny, cd Analizę struktury tranzystora Tx00 poprzedzono symulacjami numerycznymi prostych problemów o znanych rozwiązaniach analitycznych : T ( t) T j 0 hq k 8 n (n ) e (n) 4 kt c p h T n 0 q [W/m ] h T 0 k przew. cieplna c p ciepło właściwe gęstość mat. T n 0 dla stanu stacjonarnego (gęstość strumienia mocy od W/m do W/m ) dla stanu niestacjonarnego (gęstość strumienia mocy 0 9 W/m, i wysokość h = 00 m), t 50 ps ze względu na war. Couranta W. Janke, Zjawiska termiczne w elementach i układach półprzewodnikowych, WNT, Warszawa 99

7 Własności ośrodków Własności cieplne materiałów warstw podłoża TG36 są zróżnicowane i zależą zarówno od temperatury jak i poziomu domieszkowania (dla AlGaN-u). Dla GaN oraz AlN przyjęto (za ) następujący model dla przewodności cieplnej k(t): k( T) k300 T 300K k 300 [W/mK] GaN AlN Pomiary pokazują zgodność (za 3 ) modelu z pomiarami GaN (warstwa o grubości 8.5 m). E. Sichel, J. Pankove, Thermal Conductivity of GaN, K, J.Phys.Chem. Solids, vol. 38, no. 3, pp , 977. W. Liu, A. Balandin, Temperature GaN AlN Dependence of Thermal Conductivity of Al x Ga -x N Thin Films Measured by the Differential 3 Technique, Appl.Phys.Lett., vol. 85, no., pp , 004 ekstremalnie cienkich (70A) warstw GaN-u. 3 S. Vitanov, Simulation of High Electron Mobility Transistors, rozprawa doktorska, Technischen Universität Wien, Wiedeń 00, 4 B. C. Daly, et al., Optical pump-and-probe measurement of the thermal conductivity of nitride thin films, J. Appl. Phys. 9, 00 5 C. Mion, J. Muth, E. Preble, D. Hanser, Thermal Conductivity, Dislocation Density and GaN Device Design, Superlattices & Microstructures, vol. 40, no. 4-6, pp , 006 Należy zaznaczyć, że pomiary 4 sugerują niższą przewodność

8 Własności ośrodków, cd Dla GaN oraz AlN przyjęto (za ) następujący model dla ciepła właściwego c p (T): c p ( T ) c 300 c T 300K T 300K c c 300 c 300 [W/kgK] c [W/kgK] GaN AlN (5) Pomiary,3 pokazują zgodność (za 4 ) modelu z pomiarami dla monolitycznego GaN-u. V. Palankovski, R. Schultheis, and S. Selberherr, Simulation of Power Heterojunction Bipolar Transistors on Gallium Arsenide, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 48, no. 6, 00, ss R. Kremer, et al., Heat Capacity of -GaN : Isotope Effects, Phys.Rev.B, vol. 7, no. 7, p , B. Danilchenko, et al. Heat Capacity and Phonon Mean Free Path of Wurtzite GaN, Appl.Phys.Lett., vol. 89, no. 6, p. 0690, S. Vitanov, Simulation of High Electron Mobility Transistors, rozprawa doktorska, Technischen Universität Wien, Wiedeń 00, 5 V. Palankovski, R. Quay, Analysis and Simulation of Heterostructure Devices. Wien, New York: Springer, 004.

9 Własności ośrodków, cd Dla AlGaN-u modele przewodności cieplnej i ciepła właściwego są takie same. Zmienia się jednak sposób obliczenia ich parametrów. Dla Al x Ga -x N otrzymuje się: k AlGaN 300 AlGaN x x AlN k300 k ( x) AlN GaN 300 ( x) x Ck x GaN AlGaN AlN GaN c300 ( x) c300 xc300 AlGaN AlN GaN c ( x) c xc Model ten zapewnia dobrą zgodność z pomiarami,3 (za 4 ) dla C k = 3.W/mK: Al x Ga -x N V. Palankovski, R. Schultheis, S. Selberherr, Simulation of Power Heterojunction Bipolar Transistors on Gallium Arsenide, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 48, no. 6, 00, ss B. C. Daly, et al., Optical pump-and-probe measurement of the thermal conductivity of nitride thin films, J. Appl. Phys. 9, 00 3 W. Liu, A. Balandin, Temperature Dependence of Thermal Conductivity of Al x Ga -x N Thin Films Measured by the Differential 3 Technique, Appl.Phys.Lett., vol. 85, no., pp , A. Taube, M. Sochacki, J. Szmidt, Symulacje i modelowanie tranzystorów HEMT AlGaN/GaN wpływ przewodności cieplnej podłoża, Elektronika: konstrukcje, technologie, zastosowania, nr 9/0, ss AlGaN ( x) k 300 [W/mK] AlN x GaN Al 0. Ga 0.8 N H-SiC (4) 430 c 300 [W/kgK] c [W/kgK] [kg/m 3 ] Al 0. Ga 0.8 N H-SiC (4) 68 3

10 Model termiczny, cd Numeryczny 3-wymiarowy model termiczny tranzystora Tx00 zbudowano wykorzystując strukturalną siatkę obliczeniową złożoną z ok. 560 tys. prostopadłościennych komórek: Widok z góry Widok z boku T n 0 H (4H-SiC) T n 0 T c = 300K T n 0 Przyjęte w obliczeniach war. brzegowe Dzięki symetrii topologii tranzystora wzdłuż osi drenu, symulacjom poddano połowę struktury z fragmentem obszaru poza obrysem metalizacji o wymiarach 500µm500µm. Sondy pomiarowe zostały pominięte.

11 Model termiczny, cd W modelu nie uwzględniono bezpośrednio warstwy metalizacji. Dopuszczono jednak przepływ ciepła wzdłuż powierzchni brzegowych pokrytych złotem. Kanał umieszczono na głębokości 0 nm i zamodelowano jako obszar o objętościowej gęstości mocy Q komórki odpowiednio zmniejszone w pobliżu kanału komórki znacznie oddalone od kanału zostały powiększone metalizacja kanał bufor podłoże Q P ts dq c S c pow. kanału (5.504m ), P dq moc DC tracona w kanale (.W), t grubość kanału (nm) Rozkład koncetracji elektronów w kanale tranzystora AlGaN/GaN A. Taube, M. Sochacki, J. Szmidt, Symulacje i modelowanie tranzystorów HEMT AlGaN/GaN wpływ przewodności cieplnej podłoża, Elektronika: konstrukcje, technologie, zastosowania, nr 9/0, ss

12 Model termiczny, cd Przy użyciu modelu numerycznego obliczono temperaturę kanału T j w stanie ustalonym w środku obszaru aktywnego struktury nagrzewanej mocą Pdq (.W) dla kilku różnych grubości warstwy podłożowej dla dwóch materialów (4H-SiC oraz GaN). Na podstawie wyników obliczono rezystancję cieplną Tj Tcase tranzystora R th [K/W]: R th P dq Zmiana temp. w kanale zaledwie o 0.5K (R th większe o 0.4K/W) dla rezystancji cieplnej interfejsu GaN-SiC 4.5 m K/GW () Rozkłady temperatury (w st. ustalonym) w tranzystorze na podłożu 4H-SiC o gr. 50 m Obliczone wartości rezystancji cieplnej badanych przyrządów Przyrost temperatury w kanale tranzystora na podłożu 4H-SiC o gr. 50 m J. Cho, Elah et al., Low Thermal Resistances at GaN-SiC Interfaces for HEMT Technology, IEEE Electron Device Letters, vol. 33, nr 3, marzec 0, ss

13 Model termiczny - weryfikacja Uzyskane wyniki są porównywalne z danymi katalogowymi dla podobnych przyrządów. Na przykład, dla tranzystora RF3930D (chip) firmy RFMD, producent podaje R th =8K/W () Zdjęcie struktury i dostępne dane nt. geometrii Model przyrządu na podstawie danych kat. (jako radiator CPC zastosowano lity blok miedzi) RF3930D, nota katalogowa, RF Micro Devices, USA, 006. Uproszczenia: Jako radiator CPC zastosowano blok miedzi (ale o R th decyduje głównie grubość podłoża). Pominięto ew. rezystancję termiczną interfejsu (4H-SiC)-radiator. Strukturę epitaksjalną zastosowano taką jak dla przyrządu Tx00. Uzyskany wynik: R th = 7.5 K/W dla P dq =.64W, zgodnej z p. pracy (U DSQ = 48V, I DQ = 55mA) podanym w nocie

14 Podsumowanie. Zaproponowano 3-wymiarowy model termiczny tranzystorów Tx00 HEMT wytworzonych przez ITE. Model został opracowany na podstawie dostępnych w literaturze danych materiałowych podłoża oraz geometrii przyrządu 3. Dane testowe uzyskane za pomocą modelu dla komercyjnego tranzystora RF3930D firmy RF Micro Devices są zgodne z danymi publikowanymi przez producenta. 4. Uzyskane za pomocą modelu oszacowanie wartości rezystancji termicznej tranzystora Tx00 sugeruje, że: w każdym wypadku należy stosować możliwie cienkie warstwy podłoża; dla przyrządów wykonanych na podłożu z monolitycznego GaN jest to wymaganie szczególnie istotne; 5. Wyniki obliczeń uzyskiwane za pomocą tego modelu i ulepszonych jego wersji pozwalają na projektowanie kolejnych wersji tranzystorów ITE uwzględniając przegrzewanie się obszaru aktywnego 6. Planowany drugi etap prac będzie obejmował zbudowanie elektryczno-termicznego modelu tranzystora GaN HEMT z uwzględnieniem chwilowej temperatury kanału. Podziękowania: Praca została wykonana w ramach projektu InTechFun (WND-POIG /08) współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz ze środków budżetu państwa w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.

15 Udział zespołu IRE PW w pracach InTechFun: Modelowanie termiczne tranzystorów HEMT (w ramach zadania: PZ3: Modelowanie Analiza własności cieplnych przyrządów półprzewodnikowych z półprzewodników szerokoprzerwowych Charakteryzacja oprawek przyrządów mikrofalowych i połączeń drutowych (w ramach zadania: PZ: Nowe Moduły Technologiczne Charakteryzacja Struktur Charakteryzacja kolejnych partii tranzystorów AlGaN/GaN HEMT wytwarzanych przez ITE (w ramach zadania: PZ: Nowe Moduły Technologiczne Charakteryzacja Struktur Sesja Specjalna Innowacyjne technologie wielofunkcyjnych materiałów i struktur dla nanoelektroniki, fotoniki, spintroniki i technik sensorowych

16 Oprawki tranzystorów Oprawki tranzystorów stosowanych w układach mikrofalowych są istotnym elementem decydującym w znacznym stopniu o jakości gotowych przyrządów półprzewodnikowych. a) b) Tranzystor MRFG 3500 firmy Freescale: a) wygląd przyrządu; b) oprawka NI-360HF ze strukturą tranzystora i widocznymi połączeniami drutowymi elektrod D i S. Oprócz ograniczania f T przyrządu istniejące w oprawce połączenia drutowe wprowadzają indukcyjności, które w połączeniu z niefortunnym układem rozproszonych pojemności obudowy mogą prowadzić do powstawania rezonansów. L. Larson and D. Jessie, Advances in RF packaging technologies for next-generation wireless communications applications, Proc. IEEE Custom Integrated Circuits Conference, USA, Sept. 003,

17 Pomiary oprawek Wyznaczenie parametrów modelu obwodowego samej oprawki wymaga przepr. odpowiednich pomiarów. Znane są pomiary oparte na precyzyjnych wzorcach kalibr. (np. szafirowych ) i typowych algorytmów kalibracji LRM, TRL itp. Takie wzorce są skomplikowane i kosztowne. W tej pracy wykorzystano linię NLP o odpowiednich rozmiarach zamontowaną w oprawce zamiast struktury tranzystora. Struktury tranzystora Linia NLP C. Chun, A. Pham, and J. Laskar, Development of Microwave Package Models Utilizing On-Wafer Characterization Techniques, IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques 45 (997),

18 Oprawki - podsumowanie Zaproponowano metodę wyznaczania parametrów oprawki tranzystora mocy zawierającej równoległe połączenia drutowe. Zamiast stosowanych wcześnie kalibratorów wykorzystano odcinek linii NLP o znanej długości. Zaproponowaną metodą zmierzono oprawkę zawierającą 6 połączeń drutowych wykorzystując odpowiednią sekwencję pomiarów i obwodów zastępczych o stopniową zmieniającej się liczbie połączeń. Wykorzystując dopasowany do pomiarów model ustalono, że nawet duża asymetria obwodu nie wpływa na znaczące zaburzenie wyników. Na podstawie dodatkowego eksperymentu polegającego na wielokrotnym wykonaniu tego samego połączenia drutowego w oprawce TO-39 sprawdzono, że wrażliwość metody na dokładność/powtarzalność bondowania nie przekracza 5%. Więcej szczegółów nt. procedury znajduje się w artykule: P. Kopyt, Electrical Characterization of a RF Power Transistor Ceramic Package Including Multiple Wirebonds, Intl. J. of RF and Microwave CAE, Vol. 3, Iss., pages 5 58, Jan. 03. Trwają próby potwierdzenia skuteczności metody dla komercyjnego tranzystora zamocowanego w oprawce scharakteryowanej w ten sposób.

19 Tranzystory ITE W ciągu minionego roku przeprowadzono charakteryzację małosygnałową (w paśmie mikrofalowym) kolejnych próbek przyrządów wytwarzanych w ITE na różnych podłożach: HEMT-3: Próbka z VIII, 9/4 działające, stosunkowo małe wzmocnienie, duże upływności bramki, duże rezystancje doprowadzeń. H_B9_0: Próbka z X, 3/3 działające, duże wzmocnienie, szerokie pasmo pracy, małe upływności dobre przyrządy!. B8_HP_0: Próbka z X (inne podłoże), 7/3 działające, stosunkowo niskie wzmocnienie, małe upływności, wąskie pasmo pracy. HIP_03_AB: Próbka z I 3 (podłoże GaN), 7/8 działające, stosunkowo niskie wzmocnienie, małe upływności, b. wysoka rezystancja w p. pracy, węższe pasmo pasmo pracy (niż H_B9_0). PTC73_HIP_O33_: Próbka z IV 3 (GaN/Si), 55/89 zbadanych działa, próbka b. duża, zawiera nowe tranzystory, stosunkowo niskie wzmocnienie, małe upływności, wąskie pasmo pracy nadal daleko do powtórzenia H_B9_0. Porównanie surowych wyników pomiarów dla najlepszych przyrządów z próbek H_B9_0 (szerokość 00 m) i PTC73_HIP_O33_ (szerokość 350 m)