Dependência térmica da corrente de fuga em HEMTs de AlGaN/GaN em função da geometria de canal e do processo de metalização de porta

Abstract

Este trabalho apresenta a caracterização elétrica de dispositivos HEMT baseados em heteroestruturas AlGaN/GaN, com o objetivo de investigar os mecanismos responsáveis pela corrente de fuga na porta em diferentes condições de operação. Os dispositivos analisados foram fabricados no Centro Interuniversitário de Microeletrônica (IMEC) e apresentam variações no fluxo tecnológico de fabricação, particularmente relacionadas à metalização da porta. A caracterização elétrica foi realizada por meio da análise das curvas de corrente de dreno em função da tensão de porta (ID–VG) e das curvas de corrente de porta (IG–VG). Adicionalmente, foram realizadas medições em diferentes temperaturas, permitindo avaliar a influência térmica nos mecanismos de condução responsáveis pela corrente de fuga. Os resultados obtidos indicam que os dispositivos apresentam comportamento típico de transistores HEMT, com elevada capacidade de modulação da corrente de dreno pela tensão de porta. A análise da corrente de porta revelou diferenças significativas entre os dispositivos estudados, sugerindo que variações no processo de fabricação influenciam diretamente a altura da barreira de Schottky e a densidade de armadilhas presentes na interface metal–semicondutor. A dependência térmica das curvas elétricas permitiu identificar a contribuição de diferentes mecanismos de condução. Em determinadas regiões de polarização, observou-se predominância de mecanismos termicamente ativados, como a emissão termiônica e a emissão de Poole–Frenkel. Em regimes de campo elétrico mais elevado, mecanismos de tunelamento, como o tunelamento direto e o tunelamento Fowler–Nordheim, tornam-se mais relevantes. Os resultados obtidos contribuem para uma melhor compreensão dos mecanismos responsáveis pela corrente de fuga em dispositivos HEMT baseados em AlGaN/GaN, fornecendo subsídios importantes para a otimização de processos de fabricação e para o desenvolvimento de dispositivos com melhor desempenho elétrico e maior confiabilidade.

This work presents the electrical characterization of AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors (HEMTs), aiming to investigate the physical mechanisms responsible for gate leakage current under different operating conditions. The analyzed devices were fabricated at the Interuniversity Microelectronics Center (IMEC) and exhibit variations in the technological process, particularly related to gate metallization. Electrical characterization was performed through the analysis of drain current versus gate voltage (ID–VG) and gate current versus gate voltage (IG–VG) characteristics. In addition, measurements were carried out at different temperatures to evaluate the thermal dependence of the conduction mechanisms responsible for gate leakage current. The results show that the devices exhibit typical HEMT behavior, with effective modulation of the drain current by the gate voltage. The analysis of the gate current revealed significant differences among the studied devices, indicating that variations in the fabrication process directly influence the Schottky barrier height and the density of interface traps. Temperature-dependent measurements suggest the contribution of different conduction mechanisms. In certain bias regions, thermally activated mechanisms such as thermionic emission and Poole–Frenkel emission are dominant. At higher electric fields, tunneling mechanisms such as direct tunneling and Fowler–Nordheim tunneling become more significant. The obtained results contribute to a better understanding of the physical mechanisms responsible for gate leakage current in AlGaN/GaN HEMTs, providing important insights for device optimization and for the development of more reliable high-performance devices.