Termiczny model tranzystora HEMT na podłożu GaN/SiC Paweł Kopyt, Daniel Gryglewski, Wojciech Wojtasiak, Wojciech Gwarek Instytut Radioelektroniki, Politechnika Warszawska ul. Nowowiejska 15/19, 00-665 Warszawa [email protected]

Sesja Specjalna Innowacyjne technologie wielofunkcyjnych materiałów i struktur dla nanoelektroniki, fotoniki, spintroniki i technik sensorowych

Pakiet zadaniowy PZ3 MODELOWANIE

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 (1) 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 (2).

Wygląd jednej z przygotowanych próbek

Czas niezawodnej pracy vs. temp. kanału (1)

D. A. Gajewski, et al., “Reliability of GaN/AlGaN HEMT MMIC Technology on 100-mm 4H-SiC”, 26th Annual JEDEC ROCS Workshop, Indian Wells, USA, maj 16, 2011. 2 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 2001, vol. 1, ss. 411-414. 1

Podłoże Jako podłoże do modelowania zastosowano materiał TG2136, o następującej strukturze: • domieszkowany Al0.2Ga0.8N i pozbawiony domieszek azotek ganu (GaN) odpowiednio o gr. 20 nm i 80 nm; • rozdzielone 1 nm warstwą dystansową azotku glinu (AlN) (spacer);

• obszar GaN kompensowany węglem o grubości 2.5 µm; • warstwę buforową stanowi 70 nm AlN; • podłoże to 330 µm węglika krzemu (4H-SiC) jako podłoża izolacyjnego; • Łącznie grubość warstw półprzewodników AIII-N wynosi ok. 2.6 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.

Tranzystor T2x200 Processing podłoża przeprowadzono w ITE formując dwie bramki o długości Lg =1 µm i szerokości Wg =200 µm oraz kontakty ohmowe drenu i źródła. Izolację mesy wykonano w procesie implantacji jonów. Elektrody tranzystora pokryto złotem o grubości 100 nm.

Wg = 200 µm 2 µm

Lg = 1 µm

11 µm Korzystając ze stacji „on-wafer” w IRE zmierzono prąd nasycenia IDsat =120 mA (@UDS = 6V).

W czasie pomiarów mało-sygnałowych wyznaczono punkt pracy UDS = 28 V i ID = 40 mA optymalny dla maks. wzmocnienia wyznaczając wartość mocy rozpraszanej w tranzystora jako Pdq = 1.12 W. Wartość |S21| i MaxGain zmierzone w p. pracy

Model termiczny W analizie własności termicznych struktury GaN HEMT T2x200 wykorzystano pakiet ANSYS-Fluent 14.0 (1) Wykorzystano jednak regularność badanych struktur i siatki obliczeniowe były generowane automatycznie w środowisku obliczeniowym QuickWave 3D (2), a następnie przenoszone do narzędzia ANSYS-Fluent.

Obiekt i siatka w środowisku QW3D 1 2

Siatka wczytana do środowiska Fluent oraz wygenerowana automatycznie pliki konfiguracyjne

ANSYS-Fluent 14.0, www.ansys.com, licencja krajowa dostępna w PW QuickWave 3D 12.0, www.qwed.com.pl, licencja IRE

Model termiczny, cd Analizę struktury tranzystora T2x200 poprzedzono symulacjami numerycznymi prostych problemów o znanych rozwiązaniach analitycznych2:  hq  8 T j (t ) T 0 1  2 k   



1

 (2n  1) n1



e 2

 ( 2 n1) 2

4

2

kt

c p h

2

q [W/m2]

    

T 0 n

dla stanu stacjonarnego (gęstość strumienia mocy od 4.4105 W/m2 do 4.4107 W/m2) 2

h T0

k  przew. cieplna cp  ciepło właściwe   gęstość mat.

T 0 n

dla stanu niestacjonarnego (gęstość strumienia mocy 1109 W/m2, i wysokość h = 100 m), t  50 ps ze względu na war. Couranta

W. Janke, Zjawiska termiczne w elementach i układach półprzewodnikowych, WNT, Warszawa 1992

Własności ośrodków Własności cieplne materiałów warstw podłoża TG2136 są zróżnicowane i zależą zarówno od temperatury jak i poziomu domieszkowania (dla AlGaN-u). Dla GaN oraz AlN przyjęto (za 1) następujący model dla przewodności cieplnej k(T):

k (T )  k300

k300 [W/mK]



GaN

130

0.43

AlN

350

1.70



T 300 K

Pomiary2 pokazują zgodność (za 3) modelu z pomiarami GaN (warstwa o grubości 18.5 m).

1

E. Sichel, J. Pankove, Thermal Conductivity of GaN, 25-360 K, J.Phys.Chem. Solids, vol. 38, no. 3, pp. 330-330, 1977. 2 W. Liu, A. Balandin, Temperature Dependence of Thermal Conductivity of AlxGa1-xN Thin Films Measured by the Należy zaznaczyć, że pomiary4 sugerują niższą przewodność Differential 3 Technique, Appl.Phys.Lett., ekstremalnie cienkich (70A) warstw GaN-u. vol. 85, no. 22, pp. 5230-5232, 2004 3 S. Vitanov, Simulation of High Electron Mobility Transistors, rozprawa doktorska, Technischen Universität Wien, Wiedeń 2010, 4 B. C. Daly, et al., Optical pump-and-probe measurement of the thermal conductivity of nitride thin films, J. Appl. Phys. 92, 2002 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. 338-342, 2006

GaN

AlN

Własności ośrodków, cd Dla GaN oraz AlN przyjęto (za 1) następujący model dla ciepła właściwego cp(T): 

 T    1 300 K  c p (T )  c300  c1   T c1      c300  300 K 

c300 [W/kgK]

c1 [W/kgK]



GaN

431

171

1.75

AlN(5)

748

482

2.29

Pomiary2,3 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, 2001, ss. 1264-1269. 2 R. Kremer, et al., Heat Capacity of -GaN : Isotope Effects, Phys.Rev.B, vol. 72, no. 7, p. 075209, 2005. 3 B. Danilchenko, et al. Heat Capacity and Phonon Mean Free Path of Wurtzite GaN, Appl.Phys.Lett., vol. 89, no. 6, p. 061901, 2006. 4 S. Vitanov, Simulation of High Electron Mobility Transistors, rozprawa doktorska, Technischen Universität Wien, Wiedeń 2010, 5 V. Palankovski, R. Quay, Analysis and Simulation of Heterostructure Devices. Wien, New York: Springer, 2004. 1

Własności ośrodków, cd Dla AlGaN-u modele przewodności cieplnej i ciepła właściwego są takie same. Zmienia się jednak sposób obliczenia ich parametrów1. Dla AlxGa1-xN otrzymuje się: AlGaN k300

1 x x (1  x) x     AlN  GaN  Ck   k300 k300

1

AlGaN AlN GaN c300  (1  x)c300  xc300

c1AlGaN  (1  x)c1AlN  xc1GaN

 AlGaN  (1  x) AlN  x GaN

 AlGaN  (1  x)  AlN  x GaN

Model ten zapewnia dobrą zgodność z pomiarami2,3 (za 4) dla Ck = 3.1W/mK: k300 [W/mK]



Al0.2Ga0.8N

18.03

0.71

4H-SiC(4)

430

c300 [W/kgK]

c1 [W/kgK]



Al0.2Ga0.8N

684.6

420

2.18

4H-SiC(4)

681

AlxGa1-xN

 [kg/m3] 5566 3211

V. Palankovski, R. Schultheis, S. Selberherr, ”Simulation of Power Heterojunction Bipolar Transistors on Gallium Arsenide,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 48, no. 6, 2001, ss. 1264-1269. 2 B. C. Daly, et al., Optical pump-and-probe measurement of the thermal conductivity of nitride thin films, J. Appl. Phys. 92, 2002 3 W. Liu, A. Balandin, Temperature Dependence of Thermal Conductivity of Al Ga N Thin Films Measured by the Differential 3 x 1-x Technique, Appl.Phys.Lett., vol. 85, no. 22, pp. 5230-5232, 2004 4 A. Taube, M. Sochacki, J. Szmidt, “Symulacje i modelowanie tranzystorów HEMT AlGaN/GaN – wpływ przewodności cieplnej podłoża”, Elektronika: konstrukcje, technologie, zastosowania, nr 9/2012, ss. 34-37. 1

Model termiczny, cd Numeryczny 3-wymiarowy model termiczny tranzystora T2x200 zbudowano wykorzystując strukturalną siatkę obliczeniową złożoną z ok. 560 tys. prostopadłościennych komórek: Widok z góry

T 0 n

Widok z boku

H (4H-SiC)

T 0 n

Tc = 300K

T 0 n

Przyjęte w obliczeniach war. brzegowe

Dzięki symetrii topologii tranzystora wzdłuż osi drenu, symulacjom poddano połowę struktury z fragmentem obszaru poza obrysem metalizacji o wymiarach 1500µm1500µm. Sondy pomiarowe zostały pominięte.

Model termiczny, cd W modelu nie uwzględniono bezpośrednio warstwy metalizacji. Dopuszczono jednak przepływ ciepła wzdłuż powierzchni brzegowych pokrytych złotem. Kanał umieszczono na głębokości 20 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

Q podłoże

Pdq tS c

Sc  pow. kanału (5.5204m2), Pdq  moc DC tracona w kanale (1.12W), t  grubość kanału (1nm)

Rozkład koncetracji elektronów w kanale tranzystora AlGaN/GaN1 1 A. Taube, M. Sochacki, J. Szmidt, “Symulacje i modelowanie tranzystorów HEMT AlGaN/GaN – wpływ przewodności cieplnej podłoża”, Elektronika: konstrukcje, technologie, zastosowania, nr 9/2012, ss. 34-37.

Model termiczny, cd Przy użyciu modelu numerycznego obliczono temperaturę kanału Tj w stanie ustalonym w środku obszaru aktywnego struktury nagrzewanej mocą Pdq (1.12W) dla kilku różnych grubości warstwy podłożowej dla dwóch materialów (4H-SiC oraz GaN). Na podstawie wyników obliczono rezystancję cieplną T j  Tcase Rth  tranzystora Rth [K/W]:

Pdq

Zmiana temp. w kanale zaledwie o 0.5K (Rth większe o 0.4K/W) dla rezystancji cieplnej interfejsu GaN-SiC 4.5 m2K/GW(1)

Obliczone wartości rezystancji cieplnej badanych przyrządów

Rozkłady temperatury (w st. ustalonym) w tranzystorze na podłożu 4H-SiC o gr. 150 m

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 2012, ss. 378-380. 1

Model termiczny - weryfikacja Uzyskane wyniki są porównywalne z danymi katalogowymi dla podobnych przyrządów. Na przykład, dla tranzystora RF3930D (chip) firmy RFMD, producent podaje Rth =8K/W(1)

Zdjęcie struktury i dostępne dane nt. geometrii

Uproszczenia: • •

• Model przyrządu na podstawie danych kat. (jako radiator CPC zastosowano lity blok miedzi) 1

RF3930D, nota katalogowa, RF Micro Devices, USA, 2006.

Jako radiator CPC zastosowano blok miedzi (ale o Rth decyduje głównie grubość podłoża). Pominięto ew. rezystancję termiczną interfejsu (4H-SiC)-radiator. Strukturę epitaksjalną zastosowano taką jak dla przyrządu Tx200.

Uzyskany wynik:

Rth = 7.25 K/W

dla Pdq = 2.64W, zgodnej z p. pracy (UDSQ = 48V, IDQ = 55mA) podanym w nocie

Podsumowanie 1. Zaproponowano 3-wymiarowy model termiczny tranzystorów T2x200 HEMT wytworzonych przez ITE

2. 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 T2x200 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.01.03.01-00159/08) współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego oraz ze środków budżetu państwa w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.

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: PZ2: Nowe Moduły Technologiczne Charakteryzacja Struktur • Charakteryzacja kolejnych partii tranzystorów AlGaN/GaN HEMT wytwarzanych przez ITE (w ramach zadania:

PZ2: Nowe Moduły Technologiczne Charakteryzacja Struktur Sesja Specjalna Innowacyjne technologie wielofunkcyjnych materiałów i struktur dla nanoelektroniki, fotoniki, spintroniki i technik sensorowych

Oprawki tranzystorów Oprawki tranzystorów stosowanych w układach mikrofalowych są istotnym elementem decydującym w znacznym stopniu o jakości gotowych przyrządów półprzewodnikowych.

a)

b)

Tranzystor MRFG 35010 firmy Freescale: a) wygląd przyrządu; b) oprawka NI-360HF ze strukturą tranzystora i widocznymi połączeniami drutowymi elektrod D i S.

Oprócz ograniczania fT przyrządu istniejące w oprawce połączenia drutowe wprowadzają indukcyjności, które w połączeniu z niefortunnym układem rozproszonych pojemności obudowy mogą prowadzić do powstawania rezonansów1. 1

L. Larson and D. Jessie, Advances in RF packaging technologies for next-generation wireless communications applications, Proc. IEEE Custom Integrated Circuits Conference, USA, Sept. 2003, 323-330.

Pomiary oprawek Wyznaczenie parametrów modelu obwodowego samej oprawki wymaga przepr. odpowiednich pomiarów. Znane są pomiary oparte na precyzyjnych wzorcach kalibr. (np. szafirowych1) 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 1

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 (1997), 1948-1954.

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. 23, Iss. 1, pages 52–58, Jan. 2013.

•

Trwają próby potwierdzenia skuteczności metody dla komercyjnego tranzystora zamocowanego w oprawce scharakteryowanej w ten sposób.

Tranzystory ITE W ciągu minionego roku przeprowadzono charakteryzację małosygnałową (w paśmie mikrofalowym) kolejnych próbek przyrządów wytwarzanych w ITE na różnych podłożach: HEMT-23: Próbka z VIII’12, 9/24 działające, stosunkowo małe wzmocnienie, duże upływności bramki, duże rezystancje doprowadzeń. H1_B9_01: Próbka z X’12, 13/32 działające, duże wzmocnienie, szerokie pasmo pracy, małe upływności – dobre przyrządy!. B8_HP_01: Próbka z X’12 (inne podłoże), 17/32 działające, stosunkowo niskie wzmocnienie, małe upływności, wąskie pasmo pracy. HIP_0113_1AB: Próbka z I’13 (podłoże GaN), 7/28 działające, stosunkowo niskie wzmocnienie, małe upływności, b. wysoka rezystancja w p. pracy, węższe pasmo pasmo pracy (niż H1_B9_01). PTC273_HIP_O313_2: Próbka z IV’13 (GaN/Si), 55/89 zbadanych działa, próbka b. duża, zawiera nowe tranzystory, stosunkowo niskie wzmocnienie, małe upływności, wąskie pasmo pracy – nadal daleko do powtórzenia H1_B9_01.

Porównanie surowych wyników pomiarów dla najlepszych przyrządów z próbek H1_B9_01 (szerokość 200 m) i PTC273_HIP_O313_2 (szerokość 350 m)