Zuverlässigkeitsstudien an Höchstfrequenzbauelementen mit gepulsten Techniken (TLP-Methode) [Elektronische Ressource] / von Bastian Mottet

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• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 30
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

Zuverl ssigkeitsstudien an H chstfrequenzbauelementen mit
gepulsten Techniken (TLP-Methode)
Vom Fachbereich 18
Elektrotechnik und Informationstechnik
der Technischen Universit t Darmstadt
zur Erlangung
der W rde eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte
Dissertation
von
Dipl.-Ing.
Bastian Mottet
Geboren am 06. M rz 1974
in Kempen H ls, Deutschland
Referent : Prof. Dr.-Eng. Dr. h.c. mult. Hans Ludwig Hartnagel
Korreferent : Prof. Dr. rer. nat. Arno Kostka
Tag der Einreichung : 30.07.2004
Tag der m ndlichen Pr fung : 22.10.2004
D17
Darmst dter DissertationF r Yanneck EliasVorwort
Die vorliegende Dissertation ist in meiner Zeit am Institut f r Hochfrequenztechnik der TU Darm-
stadt entstanden. Dieser Zeitraum zeichnet sich durch vielf ltigste Aufgaben und Herausforderun-
gen in der Lehre, der Forschung und dem Projektmangement aus, die mich sowohl fachlich als
auch menschlich reifen lie en. An erster Stelle m chte ich Prof. Dr. Eng. h.c. H. L. Hartnagel f r
sein Vertrauen, seine Unterst tzung und seinen Rat danken, sowie f r die M glichkeit, im Rahmen
der Forschungst tigkeiten mit Wissenschaftlern auf nationaler und internationaler Ebene arbeiten
zu k nnen. Au erdem danke ich Prof. Dr. rer. nat. Kostka f r alle hilfreichen Hinweise. Die Unter-
st tzung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) m chte ich hervorheben, da durch
ihre Mithilfe Forschung in manchen F llen erst erm glicht wird. Im Speziellen gilt mein Dank
allen Partnern, mit deren Hilfe die durch die DFG, die ESA und die EU erm glichten folgen-
den Projekte erfolgreich bearbeitet werden konnten, wobei ich an dieser Stelle Laurent Marchand,
Sylvain Delage, David Raboso, Stephan Biber und Viktor Krozer besonders erw hnen m chte:
? EU BRITE EURAM: HERO’S-BRPR-CT98-0789, HBT Reliability Optimiz. and Sources
? DFG: Rauschoptimierte ungek hlte Schottkydiodenmischer f r den h heren THz-Bereich
? ESA/ESTEC Contract-No. 12544/97/NL/MV: Technical assistance for the validation of an
evaluation and reliability assessment method for planar sub-millimetre wave diodes.
? ESA/ESTEC Contract-No. 16531/02/NL/EC: Development of planar Schottky devices
? EU RTN-project: MMCODEF-HPRN-CT-2000-00043
? ESA/ESTEC Contract-No. 16827/02/NL/EC: Multipactor and Corona discharge
Weiterhin gilt mein Dank allen derzeitigen und ehemaligen wissenschaftlichen und administrativ-
technischen Mitarbeitern/innen, Dr. K. Mayer f r die Hilfe bei der Verwaltung der Drittmittel-
Projekte, Peter Kie lich und Andreas Semrad f r die Hilfe in allen technischen Fragen aber ins-
besondere Cezary Sydlo f r seine unerm dliche Unterst tzung. Gemeinsame wissenschaftliche
Arbeiten waren stets besonders fruchtbar und wurden unter anderem mit einem Best-Paper Award
auf der ESREF 2001 honoriert. Klaus Beilenhoff und Michael Brandt danke ich f r die Er-
munterung zur Promotion und Alexander Megej f r die Beratung bei allen HF-Entwurfsfragen.
Viktoria Ichizli durfte ich als kompetente Kollegin und angenehme Zimmernachbarin kennen-
lernen und verdanke ihr meine Einf hrung in die Technologie der Halbleiterbauelemente. Die
Fortschritte in der Technolgieentwicklung w ren jedoch ohne Oleg Cojocari und seine Hingabe
undenkbar gewesen. Schlie lich m chte ich an dieser Stelle Carlos Pascual Vicente Quiles f r
seinen Einsatz im Rahmen diverser Projekte, Benjamin K gel f r seine exzellente Diplomarbeit,
und ihm und Charles Mutamba f r das Korrekturlesen der Arbeit danken.
Der gr te Dank gilt jedoch meiner Frau Andrea f r ihre Geduld, meinem Sohn Yanneck Elias
f r die zus tzliche Motivation in den letzten Monaten, meinen Eltern, Margret und Max, die mir
immer alle M glichkeiten zu meiner freien Entfaltung gelassen haben und Ralf f r seine t gliche
Unterst tzung. Ihnen ist gemeinsam, da sie mich in guten wie in etwas schlechteren Zeiten im-
mer unterst tzt haben und ich bei ihnen immer ein offenes Ohr gefunden habe. Durch Euch war
es m glich, da ich meinen Weg bis zu dieser Stelle gefunden habe.
Darmstadt, 26.07.2004, Bastian Mottet
III
Kurzfassung
Diese Arbeit beschreibt die gezielte Anregung zuverl ssigkeitsrelevanter Degradations- und
Defektmechanismen bei III/V H chstfrequenzbauelementen (InGaP/GaAs Heterostruktur Bipolar-
transistor, Pt/GaAs THz-Schottkydiode) unter Verwendung elektrischer Pulse (bekannt als Trans-
mission Line Pulse, TLP-Methode). Desweiteren wird die Einf hrung von Prozesskontrollschrit-
ten und eines erweiterten Prozesskontroll-Systems im Fabrikationsprozess von Terahertz (THz)-
Schottkydioden sowie die Auswirkungen auf die Bauteilzuverl ssigkeit erl utert. Anhand planarer wird die Bedeutung der Verkn pfung von Technologie-Entwicklung, Hochfrequenz-
Design und Zuverl ssigkeits-Tests er rtert.
Als wichtigste Ergebnisse werden die Demonstration der Vergleichbarkeit der Ergebnisse der
TLP-Methode mit Arrhenius-beschleunigten Zuverl ssigkeitsmethoden sowie ihre Anwendbarkeit
im Fabrikationsprozess planarer THz-Schottkydioden vorgestellt. Im Vergleich zu Arrhenius-
beschleunigten Testmethoden verwendet die hier vorgestellte Methodik elektrische Rechteckpulse
zur Beschleunigung der Ausfallmechanismen. Durch eine dem zu stressenden Bauteil mit indi-
vidueller thermischer Zeitkonstante angepasste Wahl der Pulsl nge, d.h. des Zeitraums der elek-
trischen Belastung, wird sichergestellt, da die Bauteildegradation haupts chlich durch elektrische
Gr en (U, I, P) und weniger thermisch angeregt wird.
Abstract
This work describes the well-directed excitation of reliability relevant degradation and defect
mechanisms for highest-frequency components (InGaP/GaAs heterostructure bipolar transistor,
Pt/GaAs Schottky diode for THz-frequencies) using electrical pulses (also known as the trans-
mission line pulse, TLP-method). Further, it introduces an enhanced process control system for
the fabrication of planar THz-Schottky diodes and the effect on reliability. With respect to planar
Schottky diodes, the importance of linking technology development, RF design and reliability tests
is pointed out.
The most important results are the demonstration of comparability between the results from
the TLP-method and from Arrhenius-based reliability test methods. Additionally, the TLP-method
proved the applicability for process optimization with planar THz-Schottky diodes. In comparison
to Arrhenius test methods the proposed methodology applies electrical square pulses for acceler-
ation of degradation mechanisms. Electrical stress is ensured by choosing the pulse length, i.e.
the electrical stress time, adapted to the thermal time constant of the device. With this approach,
mainly electrical parameters (U, I, P) and not thermal ones excite device degradation.Contents
Kurzfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
1 Introduction 1
1.1 Background of this work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 THz-spectroscopy and technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Reliability, Theory and Mechanisms 6
2.1 System theory approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Interference analysis principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.2 The Arrhenius law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 The Einstein diffusion equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.4 The Fick diffusion laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.5 The Black equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2 Relevant defects and degradation mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.1 Defects and de in layers . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.2 and degradation mechanisms at interfaces . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 HBT relevant mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.4 Schottky-diode relevant degradation mechanisms . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Accelerated Reliability Analysis 24
3.1 Conventional Arrhenius-based accelerated method . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Transmission line pulse method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3 TLP test approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.1 Determination of thermal time constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.2 Excitation of eld and current induced degradation mechanisms . . . . . . 32
3.3.3 of diffusion and ageing processes . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4 Diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.1 Automated measurement setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.4.2 TUC ULNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.3 Switching matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4.4 IV-measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.5 CV-measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.6 1/f-noise measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4 Compound Semiconductors 39
4.1 The Heterostructure-Bipolar-Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.1 Application Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.2 Basics . . . . . . . . . . . . . .