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Sub-micron 3-D Electric Field Mapping in GaN Electronic Devices

GaN 电子器件中的亚微米 3D 电场测绘

基本信息

批准号：
EP/R022739/1
负责人：
Martin Kuball
金额：
$ 92.77万
依托单位：
University of Bristol
依托单位国家：
英国
项目类别：
Research Grant
财政年份：
2018
资助国家：
英国
起止时间：
2018 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://gtr.ukri.org/projects?ref=EP%2FR022739%2F1
关键词：
Sub micron Electric Field Mapping

项目摘要

AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs) are a transformative technology for high-power density radio frequency applications, including radar, satellite and mobile communications. In addition, efficient power conversion systems based on GaN devices are a key enabling technology for the low carbon economy, including renewable energy generation and transport electrification. However, their full potential has not yet been realised because performance is de-rated to ensure stable long-term device operation. Experimental characterisation of the electric field distribution in these devices has been lacking, despite being identified as a primary driver of degradation phenomena including breakdown, charge trapping and self-heating. These processes occur in and around the device channel and particularly the sub-micron region under the gate and field plate where peak electric fields are located. The aim of this proposal is a step-change in electric field imaging of semiconductor devices, by developing an optical three dimensional (3-D) device analysis technique with nanometre-scale spatial resolution. The primary focus will be on electric field induced second harmonic generation (EFISHG) combined with solid immersion lenses (SILs). This will enable us to investigate key performance and reliability challenges including (i) the effect of buffer doping on the dynamic distribution of charge in the device layers which causes an undesirable memory effect, (ii) optimization of field plate geometry to manage peak electric fields, (iii) comparing electric field distributions during RF and DC operation to improve reliability forecasts. These are on the critical pathway to achieving a high performance reliable GaN HEMT device technology which exploits the full benefits of the material properties of GaN.

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）是用于高功率密度射频应用（包括雷达、卫星和移动的通信）的变革性技术。此外，基于GaN器件的高效功率转换系统是低碳经济的关键技术，包括可再生能源发电和运输电气化。然而，它们的全部潜力尚未实现，因为性能被降级以确保稳定的长期设备操作。尽管这些器件中的电场分布被确定为包括击穿、电荷捕获和自加热在内的退化现象的主要驱动因素，但仍然缺乏对这些器件中电场分布的实验表征。这些过程发生在器件沟道中及其周围，特别是峰值电场所在的栅极和场板下方的亚微米区域。本提案的目的是通过开发具有纳米级空间分辨率的光学三维（3-D）器件分析技术，实现半导体器件电场成像的阶跃变化。主要的焦点将是电场感应二次谐波产生（EFISHG）与固体浸没透镜（锡尔斯）相结合。这将使我们能够研究关键的性能和可靠性挑战，包括（i）缓冲掺杂对器件层中电荷动态分布的影响，这会导致不期望的记忆效应，（ii）优化场板几何形状以管理峰值电场，（iii）比较RF和DC操作期间的电场分布以提高可靠性预测。这些都是实现高性能可靠的GaN HEMT器件技术的关键途径，该技术充分利用了GaN材料特性的所有优势。

项目成果

期刊论文数量（6）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Submicrometer Resolution Hyperspectral Quantum Rod Thermal Imaging of Microelectronic Devices

DOI：
10.1021/acsaelm.9b00575
发表时间：
2020-01-01
期刊：
ACS APPLIED ELECTRONIC MATERIALS
影响因子：
4.7
作者：
Oner, Bahar;Pomeroy, James W.;Kuball, Martin
通讯作者：
Kuball, Martin

Design and Manufacture of Edge Termination in Vertical GaN Diodes: Electric Field Distribution Probed by Second Harmonic Generation

垂直 GaN 二极管边缘终端的设计和制造：通过二次谐波产生探测电场分布

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
2022 International Conference on Compound Semiconductor Manufacturing Technology, CS MANTECH 2022
影响因子：
0
作者：
Cao Y.
通讯作者：
Cao Y.

Electric field mapping of wide-bandgap semiconductor devices at a submicrometre resolution

DOI：
10.1038/s41928-021-00599-5
发表时间：
2021-06-21
期刊：
NATURE ELECTRONICS
影响因子：
34.3
作者：
Cao, Yuke;Pomeroy, James W.;Kuball, Martin
通讯作者：
Kuball, Martin

Edge termination in vertical GaN diodes: Electric field distribution probed by second harmonic generation

DOI：
10.1063/5.0096755
发表时间：
2022-06-13
期刊：
APPLIED PHYSICS LETTERS
影响因子：
4
作者：
Cao, Yuke;Pomeroy, James W.;Kuball, Martin
通讯作者：
Kuball, Martin

DOI：
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作者：
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作者：
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作者：
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Martin Kuball其他文献

Non-Arrhenius Degradation of AlGaN/GaN HEMTs Grown on Bulk GaN Substrates

在块状 GaN 衬底上生长的 AlGaN/GaN HEMT 的非阿累尼乌斯退化

DOI：
发表时间：
2012
期刊：
IEEE Electron Device Letters
影响因子：
4.9
作者：
M. Ťapajna;N. Killat;J. Moereke;T. Paskova;K. Evans;J. Leach;X. Li;U. Ozgur;H. Morkoç;K. Chabak;A. Crespo;J. Gillespie;R. Fitch;M. Kossler;D. Walker;M. Trejo;G. Via;J. Blevins;Martin Kuball
通讯作者：
Martin Kuball

Siと接合したダイヤモンド基板上のFETの作製

在与 Si 结合的金刚石基底上制造 FET

DOI：
发表时间：
2018
期刊：
影响因子：
0
作者：
神田進司;山條翔二;Martin Kuball;重川直輝;梁剣波
通讯作者：
梁剣波

Control of Buffer-Induced Current Collapse in AlGaN/GaN HEMTs Using SiNx Deposition

使用 SiNx 沉积控制 AlGaN/GaN HEMT 中缓冲器引起的电流崩塌

DOI：
10.1109/ted.2017.2738669
发表时间：
2017
期刊：
IEEE Transactions on Electron Devices
影响因子：
3.1
作者：
W. M. Waller;M. Gajda;S. Pandey;J. Donkers;D. Calton;J. Croon;J. Sonsky;M. Uren;Martin Kuball
通讯作者：
Martin Kuball

Elimination of Degenerate Epitaxy in the Growth of High Quality B 12 As 2 Single Crystalline Epitaxial Films

高质量B 12 As 2 单晶外延薄膜生长过程中简并外延的消除

DOI：
10.1557/opl.2011.316
发表时间：
2011
期刊：
MRS Proceedings
影响因子：
0
作者：
Yu Zhang;Hui Chen;M. Dudley;Yi Zhang;J. Edgar;Y. Gong;S. Bakalova;Martin Kuball;Lihua Zhang;D. Su;Yimei Zhu
通讯作者：
Yimei Zhu

Growth Mechanisms and Defect Structures of B12As2 Epilayers Grown on 4H-SiC Substrates

4H-SiC 衬底上生长的 B12As2 外延层的生长机制和缺陷结构

DOI：
10.1016/j.jcrysgro.2011.12.065
发表时间：
2011
期刊：
Journal of Crystal Growth
影响因子：
1.8
作者：
Yu Zhang;Hui Chen;M. Dudley;Yi Zhang;J. Edgar;Y. Gong;S. Bakalova;Martin Kuball;Lihua Zhang;D. Su;Yimei Zhu
通讯作者：
Yimei Zhu