Attività di Ricerca 

di Gaudenzio Meneghesso

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1. Studio, collaudo e miglioramento di strutture di protezione da scariche elettrostatiche (ESD) per circuiti integrati CMOS e SMART POWER (tecnologia BCD, Bipolar, CMOS, DMOS) anche mediante l’utilizzo di tecniche diagnostiche innovative per l'analisi dei modi e meccanismi di guasto di componenti e circuiti integrati

2. caratterizzazione elettrica, modellizzazione e affidabilità di RF-MEMS switches per antenne riconfigurabili

3. Caratterizzazione e studio dell’affidabilità di dispositivi emettitori di luce (LED, Light Emitting Diodes) mediante tecniche elettriche, ottiche e microscopiche.

4. Caratterizzazione elettrica, modellizzazione e affidabilità di dispositivi elettronici su semiconduttori ad ampio Energy Gap (GaN e SiC).

5. Caratterizzazione elettrica, modellizzazione e affidabilità di dispositivi a microonde con particolare riferimento ai fenomeni connessi agli elettroni caldi (ionizzazione da impatto, breakdown, emissione di luce, degradazione dovuta a portatori caldi).

I.    STUDIO, COLLAUDO E MIGLIORAMENTO DI STRUTTURE DI PROTEZIONE DA SCARICHE ELETTROSTATICHE (ESD) PER CIRCUITI INTEGRATI CMOS E SMART POWER (TECNOLOGIA BCD, BIPOLAR, CMOS, DMOS) ANCHE MEDIANTE L’UTILIZZO DI TECNICHE DIAGNOSTICHE INNOVATIVE PER L'ANALISI DEI MODI E MECCANISMI DI GUASTO DI COMPONENTI E CIRCUITI INTEGRATI

SOMMARIO: E’ stato condotto uno studio di caratterizzazione, collaudo e sviluppo di strutture di protezione realizzate in tecnologia CMOS e SMART POWER (BCD, Bipolar, CMOS, DMOS, e BCD SOI, Silicon On Insulator) analizzate tramite misure elettriche, misure di elettroluminescenza (microscopia ad emissione) e simulazioni elettro-termiche drift-diffusion bidimensionali (DESSIS-ISE). In questo contesto si sta studiando una nuova metodologia di sviluppo di strutture di protezione, basata sull’utilizzo combinato delle tecniche di misura e di simulazione sopra citate, che consenta di ridurre enormemente i tempi di sviluppo normalmente richiesti. L’attività di ricerca finora svolta ha prodotto nuove strutture di protezione con maggiori livelli di robustezza ESD, nonché risultati scientifici rilevanti pubblicati su riviste o presentati a conferenze (anche con relazioni ad invito). E’ stato anche sviluppato uno strumento di misura e collaudo basato sul metodo della linea di trasmissione carica (TLP), con prestazioni superiori a quelli precedentemente esistenti.

I risultati più importanti e originali sono:

1. Per la caratterizzazione della risposta dinamica delle strutture di protezione ha utilizzato, per la prima volta, un sistema di test basato su fascio elettronico (e-beam), che ha permesso di misurate transitori temporali con risoluzione fino a 10 ps;

2. Utilizzando il sistema a fascio elettronico sopra menzionato è stato calcolato il tempo di accensione delle strutture di protezione da scariche elettrostatiche (inferiore al nanosecondo) ed e’ stata verificata l’efficacia delle strutture rispetto a eventi ESD veloci (come il Charged Device Model, CDM, caratterizzato da transitori inferiori al ns).

3. E’ stato realizzato un sistema di misura basato sul principio della carica di una linea di trasmissione (Transmission Line Pulser, TLP) capace di generare impulsi di tensione/corrente con fronti di salita inferiori al nanosecondo, di durata variabile (50 ns – 500 ns) e con impulsi di corrente fino a 20 A.

4. E’ stata identificata una nuova metodologia “predittiva” per lo sviluppo di strutture di protezione contro scariche elettrostatiche mediante un uso combinato di risultati sperimentali e dei risultati di simulazioni 2D elettrotermiche.

5. Sono state sviluppate nuove strutture di protezione, in tecnologia BCD, contro scariche elettrostatiche con livelli di robustezza ESD di molto migliorati rispetto alle precedenti (si sono raggiunti e superati gli 8 kV HBM sulla gran parte delle tecnologie studiate).

II.    Caratterizzazione elettrica, modellizzazione e studio di affidabilità di Sistemi Micro-Elettro-Meccanici (MEMS) (accelerometri inerziali lineari MEMS e interruttori per Radio Frequenza)

SOMMARIO: E’ stata avviata una nuova linea di ricerca riguardante la caratterizzazione e lo studio dell’affidabilità di dispositivi Micro-Elettro-Meccanici (MEMS). L’attività è iniziata con lo studio di accelerometri inerziali lineari, per poi estendersi alla caratterizzazione, studio di affidabilità, modellistica e analisi di guasto di interruttori MEMS per applicazioni a radio frequenza (RF, Radio Frequency). L’obiettivo principale di questa attività di ricerca è stato (i) analizzare da un punto di vista elettro-meccanico i meccanismi di funzionamento di questi dispositivi che presentano appunto non solo caratteristiche elettriche, ma anche meccaniche; (ii) individuare la corretta metodologia di caratterizzazione facendo particolare attenzione alla loro natura elettro meccanica; (iii) individuare i meccanismi di guasto mediante prove di invecchiamento accelerato sviluppate appositamente per questi dispositivi; infine (iv) testare la loro robustezza andando a simulare ambienti particolarmente ostili quale quello spaziale (sottoponendo il MEMS a test di radiazioni e scarica elettrostatica) e shock meccanici (sottoponendo il MEMS a forti accelerazioni, oltre a 1000 g, replicando le condizioni critiche del momento del lancio di navette spaziali e di apertura dei pannelli solari).

I risultati più importanti e originali sono:

(a) Progettazione di strutture di test che permettono di: i) facilitare la caratterizzazione meccanica; ii) di semplificare l’analisi di guasto; e iii) di separare l’effetto dei diversi meccanismi di guasto sulla degradazione delle caratteristiche elettriche.

(b) Realizzazione di set-up di misura per la realizzazione di stress accelerati che permettano di studiare la degradazione dei contatti, la degradazione degli elementi attuatori (intrappolamento di carica nei dielettrici, deformazioni o fratture, stress degli elementi strutturali);

(c) implementazione dei test accelerati, definizione di opportuni criteri di guasto, e analisi dei modi di degradazione elettrici;

(d) implementazione dei test per la valutazione dei danni da radiazione, in particolare per valutare gli eventuali effetti di intrappolamento di carica nel dielettrico;

(e) implementazione dei test di scariche elettrostatiche (ESD) sugli interruttori MEMS RF; definizione di test ESD realistici e compatibili con la tecnologia MEMS e analisi dei migliori criteri di individuazione del guasto.

III.   Caratterizzazione e studio dell’affidabilità di Light Emitting Diodes (LED) mediante tecniche elettriche, ottiche e microscopiche.

SOMMARIO: È stato condotto uno studio di caratterizzazione, affidabilità e analisi di guasto di diodi emettitori di luce (LED) su nitruro di gallio (GaN) ad alta efficienza, mediante misure elettriche, ottiche e indagine microscopica.Lo scopo di questo lavoro è stato (i) analizzare i meccanismi di trasporto e di emissione dei LED su GaN, (ii) individuare i meccanismi di guasto di tali dispositivi mediante prove di invecchiamento accelerato ad alte temperature e correnti, (iii) misurare i limiti di funzionamento di campioni commerciali ad alta efficienza da utilizzare per la realizzazione di dispositivi di illuminazione allo stato solido.

I risultati più importanti e originali sono:

1. Studio dei meccanismi di emissione radiativa dei LED in diverse condizioni di eccitazione: eccitazione elettrica (elettroluminescenza), ottica (fotoluminescenza) e mediante fascio elettronico (catodoluminescenza)
2. Identificazione dei meccanismi di guasto dei LED mediante diverse prove di invecchiamento accelerato: ad alta temperatura, a bassa densità di corrente, ad alta densità di corrente
3. Identificazione del ruolo della passivazione nell’invecchiamento dei dispositivi
4. interpretazione dei meccanismi di guasto individuati, e discussione degli stessi con il costruttore. Questa fase è di particolare importanza, dal momento che fornisce al costruttore informazioni utili per migliorare le fasi di crescita e processing dei dispositivi;
5. Identificazione dei modi e dei meccansismi di guasto in Laser Blu a semiconduttore (Blu-Ray LD). In particolare Il degrado è attribuito alla diffusione di impurità;

 IV.    IV Caratterizzazione elettrica e modellizzazione e affidabilità di dispositivi elettronici su semiconduttori ad ampio energy gap (GaN e SiC).

SOMMARIO: L'obiettivo generale di questa tematica di ricerca è la caratterizzazione e la valutazione degli effetti di degradazione indotti da portatori caldi in dispositivi AlGaN/GaN (sia passivi che attivi), di media ed alta potenza. L'attività di ricerca comprende sia l'analisi dei fenomeni di breakdown a canale aperto e chiuso valutati in DC, e in regime impulsato, che lo studio dei fenomeni di degradazione causati da stress termici e da portatori caldi. I vari modi e meccanismi di degrado sono accuratamente studiati mediante numerose tecniche disponibili nell'unità di ricerca. Le due principali linee di ricerca sono: 1. Caratterizzazione elettrica di dispositivi GaN HEMT per applicazioni di potenza per onde micrometriche e millimetriche, con particolare attenzione allo studio di effetti parassiti e misure di breakdown. 2. Valutazione dell'affidabilità di dispositivi GaN HEMT sottoposti a stress elettrici e termici. In particolare, i dispositivi verranno invecchiati sia per mezzo di alti valori di tensione al drain, per studiare l'effetto degli elettroni caldi sul degrado, sia attraverso cicli termici, per meglio individuare i meccanismi di degrado causati dalla temperatura.

 I risultati più importanti e originali sono:

1. Sono stati caratterizzati gli stati trappola e i loro effetti sulle caratteristiche elettriche dei dispositivi GaN HEMT;

2. Sono stati identificati gli effetti dovuti a portatori altamente energetici (elettroni caldi) nelle caratteristiche elettriche dei dispositivi elettronici;

3. E’ stato studiato del comportamento dei dispositivi GaN-HEMT in regime di breakdown;

4. I problemi di affidabilità in dispositivi GaN HEMT sono stati analizzati dettagliatamente mediante un notevole numero di prove di vita accelerate in svariate condizioni di test (alta temperatura, alta corrente, alti campi elettrici, ….);

5. Sono stati identificati modi e meccanismi di guasto in dispositivi sottoposti a prove di vita accelerate mediante tecniche elettriche ed analitiche (Emmission Microscopy, SEM, ..).

V.     V Caratterizzazione elettrica, modellizzazione e affidabilità di dispositivi a microonde con particolare riferimento ai fenomeni connessi agli elettroni caldi (ionizzazione da impatto, breakdown, emissione di luce e degradazione dovuta a portatori caldi).

SOMMARIO: E’ stato condotto uno studio sistematico delle caratteristiche e dell’affidabilità di dispositivi ad effetto di campo (MESFETs ed HEMTs) e bipolari (HBT) cresciuti su GaAs e/o su InP. In particolare sono stati affrontati i seguenti argomenti:

(a)     Misura e caratterizzazione del breakdown (a canale aperto e chiuso) e del coefficiente di ionizzazione;

(b)     Miglioramento del breakdown in dispositivi su InP mediante l’utilizzo di un canale composito (InGaAs/InP) e quantizzato (spessore di canale inferiore a 100 Å);

(c)     Studio dei modi e meccanismi di guasto in dispositivi sottoposti a prove di vita accelerate (regimi di elevati campi elettrici e ad alte temperature);

(d)     Studio dell’effetto della passivazione in dispositivi HEMT su InP per migliorarne l’affidabilità.

L’attività di ricerca ha prodotto risultati che hanno permesso di ottenere importanti indicazioni per lo sviluppo di dispositivi con prestazioni migliori e con maggiore affidabilita’.

I risultati più importanti e originali sono:

1.      Caratterizzazione della ionizzazione da impatto: Mediante dispositivi bipolari ad eterogiunzione (HBT) è stato valutato il coefficiente di ionizzazione per elettroni e per lacune nel In_0.53Ga_0.47As ed individuato un comportamento in temperatura anomalo (a_n aumenta all’aumentare della temperatura);

2.      Caratterizzazione del breakdown: E’ stato individuato il ruolo fondamentale delle lacune generate dalla ionizzazione da impatto nell’innescare il breakdown nei dispositivi HEMT e MESFET mediante l’effetto di transistor bipolare parassita. Sono state inoltre individuate delle soluzioni tecnologiche innovative per HEMT su InP che consentono di ridurre il fenomeno della ionizzazione da impatto (canale composito e quantizzato) e quindi di migliorare le prestazioni in termini di breakdown;

3.      Affidabilità di dispositivi a microonde: Sono stati identificati numerosi modi e meccanismi di degradazione indotti su dispositivi HEMT su GaAs e InP polarizzati in regime di "elettroni caldi". In particolare la generazione di stati trappola e/o la modulazione della carica in essi intrappolata risulta essere il meccanismo di degradazione più frequentemente osservato. E’ stata inoltre identificata l’importanza delle regioni superficiali (di accesso) nel determinare la stabilità dei dispositivi elettronici e, nei dispositivi HEMT su InP, è stata individuata una soluzione tecnologica che ne migliora l’affidabilità (InP etch stopper layer);

4.      Effetti indotti da radiazioni su MESFETs: Sono stati individuati gli effetti indotti dalle radiazioni sulle caratteristiche elettriche statiche e dinamiche di dispositivi su GaAs. In particolare sono stati caratterizzati gli stati trappola indotti da neutroni su dispositivi MESFET mediante misure in frequenza della transconduttanza (gm) e della conduttanza di uscita (gD).

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Per queste tematiche Gaudenzio Meneghesso collabora con numerosi laboratori e centri di ricerca di industrie nazionali ed internazionali, fra cui:

 Laboratori di Ricerca Accademici:

EPFL, Lausanne (Svizzera);

Istituto MASPEC CNR, Parma

Università di Bologna, Dipartimento di Fisica e di Ingegneria;

Università di Modena, Dipartimento di Ingegneria;

Università di Parma, Dipartimento di Fisica e di Ingegneria;

University of California, Santa Barbara,

University of Duisburg, Department of Engineering (Germania)

University of Michigan, Michigan,

University of Twente, Enschede (Olanda),

University of Virginia, Department of Electrical Engineering, VA, USA

Rensselaer Polytechnic Instit., Troy New York;

Laboratori di Ricerca di Industrie:

Agilent Technologies (ex Hewlett Packard), Palo Alto California

Alcatel Italia (ex Telettra), Vimercate, Milano;

Alenia Marconi System, Roma;

GELCORE, Somerset New Jersey

General Electric, Corporate Research and Development, Schenectady, NY.

HUGHES Research Laboratories, California;

Infineon (ex SIEMENS), Monaco (Germany)

Nippon telephony and Telegraph, NTT Giappone;

ST-Microelectronics, Agrate, Milano,

ST-Microelectronics, Cornaredo, Milano,

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