Phd in MATHEMATICAL MODELS FOR ENGINEERING, ELECTROMAGNETICS AND
NANOSCIENCES

Thesis title: Ottimizzazione di Processi Tecnologici Critici per Dispositivi GaN HEMT ad Alte Prestazioni ed Alta Affidabilità

Nell’ultima decade, la richiesta di sviluppare componenti elettronici ad elevate prestazioni, sia nel campo della difesa sia in quello dei sistemi di comunicazione civili ha guidato una sempre più crescente attività di ricerca verso semiconduttori con caratteristiche più performanti in termini di densità di potenza, frequenze di lavoro, efficienza e linearità non conseguibili con soluzioni tecnologiche convenzionali. L'ormai consolidata tecnologia di del Silicio, pur offrendo evidenti vantaggi dal punto di vista della riproducibilità e dell'affidabilità dei componenti, è comunque limitata dalle caratteristiche intrinseche del materiale, che limitano fortemente la frequenza operativa la densità di potenza. Questo ha determinato l'esigenza di identificare nuove soluzioni tecnologiche spingendo la ricerca verso quei materiali ad ampia bandgap. In particolar modo nella famiglia III-V, il Nitruro di Gallio (GaN) e le eterostrutture che esso forma con l'AlGaN, grazie all'elevata bandgap e all'elevato campo elettrico di breakdown, permettono di raggiungere tensioni di polarizzazione molto maggiori rispetto al Silicio consentendo così lo sviluppo di dispositivi con densità di potenza molto maggiori, maggiori efficienze e minore complessità circuitale. Altro aspetto fondamentale è la stabilità termica intrinseca che i materiali a larga bandgap mostrano ad alte temperature. Infatti la crescita del GaN su substrati ad alta conducibilità termica come il Carburo di Silicio (SiC), permette di lavorare a temperature più elevate e quindi di richiedere, a parità di potenza erogata, un sistema di raffreddamento con caratteristiche meno stringenti. Nei sistemi radar di tipo Active Electronically Scanned Array (AESA), viene richiesta la combinazione di un elevato numero di moduli T/R ad altissime prestazioni di potenza, ognuno dei quali gestisce una porzione d'antenna fornendo la potenza necessaria all'impulso che viene trasmesso ed eventualmente rilevato. La gestione di questi segnali è affidata a dispositivi monolitici basati sulla tecnologia innovativa del Nitruro di Gallio, i quali devono garantire prestazioni sempre più stringenti e al contempo affidabili. Lo scopo di questo lavoro di Dottorato è stato quello di identificare soluzioni tecnologiche per ottimizzare le attuali prestazioni dei monolotici GaN HEMT (high electron mobility transistor), finalizzati alla realizzazione di moduli T/R per sistemi radar di nuova generazione. Le soluzioni tecnologiche individuate ed ottimizzate sono state tre. La prima relativa alla passivazione di nitruro di silicio (SiN), andando a studiare la dipendenza dello stresso indotto dalla passivazione e dal contenuto di idrogeno con la formazione di trappole d’interfaccia SiN/AlGaN e profonde nel SiN. La seconda relativa al contatto ohmico, andando a studiare la dipendenza dello stack metallico e della rampa di lega con la resistenza di contatto. La terza relativa alla giunzione di gate, ottimizzando gli aspetti di metallizzazione per incrementare l’affidabilità del device riducendo fenomeni trappola e stabilizzando la giunzione stessa alle alte temperature di canale. Ogni aspetto studiato ed ottimizzato, è risultato fondamentale per la fabbricazione di componenti monolitici ad alte prestazioni ed affidabili.