Effect of type of dietary carbohydrates on digestion, intestinal barrier and growth performance in 25-d weaned rabbits

Los objetivos globales de esta tesis han sido estudiar el efecto que los carbohidratos de la dieta ejercen sobre los rendimientos productivos, la barrera intestinal, y la digestión de animales destetados a 25 días de edad. Además se ha estudiado cuál es el mejor periodo para determinar la digestibilidad fecal tras el destete a esta edad. En el primer experimento se estudió el efecto de la fibra neutro detergente soluble (FNDS) sobre la barrera intestinal, digestión, microbiota intestinal y rendimientos productivos de gazapos en gazapos en la fase post-destete. Se diseñaron tres piensos isonutritivos en los que la única fuente de variación fueron los niveles de fibra soluble. A partir de una dieta control (AH) con 103 g/kg de materia seca de FNDS y alfalfa como fuente principal de fibra, se sustituyó la mitad de esta alfalfa por una mezcla de pulpa de remolacha y pulpa de manzana (75:25) en el pienso B-AP y por una mezcla de cascarilla y concentrado de proteína de soja (88:12) en el pienso OH, obteniéndose 131 y 79 g/kg de FNDS sobre materia seca, respectivamente. Los conejos se destetaron a 25 días y fueron alimentados con los piensos experimentales hasta los 35 días de edad, momento en el que se sacrificaron para la determinación de la digestibilidad ileal aparente (DIA) de la materia seca (MS), proteína bruta (PB) y almidón, la morfología de la mucosa, y actividad enzimática en el yeyuno, el tejido linfoide asociado a la mucosa, así como la microbiota intestinal. Para la determinación de la morfología de la mucosa se utilizaron adicionalmente 19 animales lactantes de 35 días de edad. Para el estudio de la tasa de mortalidad, se utilizaron 118 animales más por tratamiento que recibieron los piensos experimentales durante las dos semanas post-destete y posteriormente un pienso comercial hasta los 60 días de edad. Los animales recibieron durante todo el experimento medicación en el agua de bebida (100 ppm de apramicina sulfato y 120 ppm de tilosina tartrato). El nivel de fibra soluble mejoró los parámetros que se utilizaron para la caracterización del estado de la barrera intestinal. Los conejos alimentados con el mayor nivel de FNDS en el pienso presentaron una mayor longitud de los villi (P=0.001), un mayor ratio longitud villi/profundidad de las criptas (8.14; P=0.001), una mayor actividad disacaridásica (8671 μmol de glucosa/g de proteína; P=0.019), así como una mayor digestibilidad ileal (96.8%; P=0.002), observándose una reducción en el flujo ileal de almidón a medida que se incrementó el nivel de fibra soluble en el pienso (1,2 vs 0,5 g/d; P=0.001). Los animales lactantes a 35 días de edad presentaron un ratio longitud de villi/profundidad de las criptas menor que el observado en aquéllos alimentados con el pienso B-AP (6.70), pero superior al de los piensos AH y OH. Niveles inferiores de NDFS tendieron (P=0.074) a incrementar la respuesta inmune de tipo celular (linfocitos CD8+). El pienso también afectó a la producción de IL2 (CD25+; P=0.029; CD5+CD25+; P=0.057), pero sin llegar a establecerse una clara relación con el nivel de fibra soluble. La diversidad de la microbiota intestinal no se vio afectada por el pienso (P ≥ 0.38). Los animales alimentados con las piensos B-AP y AH presentaron una reducción en la frecuencia de detección de Clostridium perfringens tanto en íleon (P=0.062) como en ciego (4.3 vs. 17.6%, P =0.047), comparado con el pienso OH. Además la tasa de mortalidad (118 gazapos/pienso) disminuyó de 14.4% en el pienso OH a 5.1% en el pienso B-AP. Entre los 32 y los 35 días de edad se determinó la digestibilidad fecal aparente (14/pienso) de la materia seca (MS), energía bruta (EB), proteína bruta (PB), fibra neutro detergente (FND), fibra ácido detergente (FAD) y almidón. Este grupo, junto con otros nueve animales por tratamiento se utilizaron para determinar el peso del estómago y el ciego, la concentración cecal de ácidos grasos volátiles (AGV) y amoniaco (NH3), así como las tasas de similitud de la microbiota intestinal. Además se estudiaron los rendimientos productivos (35 animales/tratamiento) de los gazapos durante todo el período de cebo, consumiendo los piensos experimentales desde el destete hasta los 35 días y posteriormente un pienso comercial hasta los 60 días de edad. Niveles crecientes de FNDS mejoraron la digestibilidad fecal de la materia seca (MS) y energía (P<0.001). La inclusión FNDS aumentó de manera lineal el peso del contenido cecal (P=0.001) y el peso del aparato digestivo completo (P=0.008), y en los días previos al sacrificio disminuyó de manera lineal el consumo medio diario (P=0.040). Se observó además, una disminución lineal (P≤0.041) del pH del estómago. No se encontró relación entre el pH, la concentración y proporciones molares de AGV y el nivel de FNDS. El pienso pareció tener un efecto, incluso superior al de la madre, sobre la tasa de similitud de la microbiota, y los efectos fueron mayores a nivel cecal que ileal. La eficacia alimenticia aumentó de manera lineal en un 12% entre piensos extremos tras el destete (25- 39d) y en un 3% en el período global de cebo con niveles mayores de NDFS. El consumo medio diario durante la fase post-destete y durante todo el período de cebo, tendió a aumen tar (P≤0.079) con niveles mayores de FNDS, sin embargo no se apreció efecto sobre la ganancia media diaria (P≥0.15). En conclusión, el incremento del nivel de fibra soluble en el pienso parece resultar beneficioso para la salud del animal ya que mejora la integridad de la mucosa, y reduce la frecuencia de detección de potenciales patógenos como C. perfringens y Campylobacter spp. Conforme a estos resultados, debería tenerse en cuenta el contenido en fibra soluble en la formulación de piensos de conejos en la fase post-destete. El objetivo del segundo experimento fue determinar el efecto de la fuente de almidón sobre la digestión, la microbiota intestinal y los rendimientos productivos en conejos destetados con 25 días de edad. Se formularon tres piensos isonutritivos en los que se modificaron las principales fuentes de almidón: trigo crudo, trigo cocido y una combinación de trigo y arroz cocido. Dos grupos de 99 y 193 animales se destetaron con 25 días de edad. El primero de ellos se utilizó para la determinación de los parámetros productivos conforme al mismo protocolo seguido en el experimento anterior. El segundo de los grupos se utilizó para la determinación de la digestibilidad fecal de 32 a 35 d, la digestibilidad ileal aparente (DIA) a 35 d, la morfología de la mucosa intestinal, los parámetros de fermentación cecal; así como, la caracterización de la microbiota intestinal. Se utilizaron además dos grupos adicionales de animales 384 (medicados) y 177 (no medicados) para estudiar el efecto de la suplementación con antibióticos en el agua de bebida sobre la mortalidad. El procesado térmico del trigo mejoró ligeramente la digestibilidad ileal del almidón (P=0.020) pero no modificó el flujo final de almidón que alcanzó el ciego, observándose una mayor frecuencia de detección de Campylobacter spp. y Ruminococcus spp. en ciego (P≤0.023), pero sin cambios a nivel ileal. El procesado térmico del trigo no afectó tampoco a los parámetros productivos, la mortalidad, la digestibilidad ileal y fecal o la morfología de la mucosa. La sustitución parcial del trigo cocido por arroz cocido, penalizó la digestibilidad ileal del almidón (P=0.020) e incrementó el flujo ileal de este nutriente al ciego (P=0.007). Sin embargo no afectó a la mortalidad, pese a que se detectaron cambios en la microbiota tanto a nivel ileal como cecal, disminuyendo la frecuencia de detección de Campylobacter spp. (en íleon y ciego), Helicobacter spp. (en íleon) y Ruminococcus spp (en ciego) e incrementando Bacteroides spp. (en ciego) (P≤0.046). El empleo de arroz cocido en las piensos post-destete no tuvieron efectos sobre los parámetros productivos, la mortalidad, la digestibilidad ileal y fecal a excepción del almidón, o la morfología de la mucosa. La suplementación con antibiótico redujo la fre cuencia de detección de la mayoría de las bacterias estudiadas (P≤0.048), sobre todo para Campylobacter spp., Clostridium perfringens y Propionibacterium spp. (P≤0.048), observándose un efecto mayor a nivel ileal que cecal, lo que se asoció a la bajada significativa (P<0.001) de la mortalidad. En conclusión, los resultados de este experimento indican que la fuente de almidón afecta a la microbiota intestinal pero no influiye sobre la salud del animal. En relación al procesado, el uso de trigo cocido junto con arroz cocido no mejora los resultados obtenidos con trigo duro, si bienserían necesarios más experimentos que confirmaran este punto. El último de los experimentos se centró en un aspecto metodológico. Dado que, los conejos destetados presentan un patrón digestivo diferente al de un animal adulto resultado de su inmadurez digestiva, el objetivo buscado era tratar de determinar el mejor procedimiento para la determinación de la digestibilidad fecal en los gazapos en la fase post-destete. Para tal fin se utilizaron 15 animales/tratamiento de tres camadas diferentes que se destetaron con 25 días, suministrándoles un pienso comercial de crecimiento-cebo. Se registró el consumo medio diario y la excreción diaria de heces desde el día 25 hasta el día 40 de edad para la determinación de la digestibilidad de la MS. La camada afectó al consumo medio diario y la excreción de heces (P=0.013 y 0.014, respectivamente), observándose una tendencia (P=0.061) en la digestibilidad. La edad afectó (P<0.001) a todos estos factores, incrementándose de manera más evidente la excreción que la ingestión de materia seca en la primera semana de vida, para aumentar de forma paralela a partir de la segunda. La correlación entre el consumo medio diario fue mayor con la excreción de heces del mismo día que con la del día siguiente, por lo que se utilizó el primero para la determinación de la digestibilidad de la MS (MSd). La MSd disminuyó de manera lineal hasta los 32 días de edad (2.17±0.25 unidades porcentuales por día), mientras que permaneció constante desde los 32 a los 40 días (69.4±0.47%). Por otro lado, la desviación estándar de la MSd se redujo cuando se incrementó el período de recogida de 2 a 6 días en un 54%. Conforme a los resultados obtenidos, se puede concluir que no es aconsejable comenzar las pruebas de digestibilidad antes de los 32 días de edad y que el número de animales necesario para detectar diferencias significativas entre tratamientos dependerá del período de recogida de heces. ABSTRACT The global aim of this thesis has been to study the effect of dietary carbohydrates on growth, performance, digestion and intestinal barrier in 25-d weaned rabbits. In addition there has also been studied which is the best period to determine the fecal digestibility after weaning. The first experiment focused on the effect of Neutral Detergent Soluble Fibre (NDSF) on gut barrier function, digestion, intestinal microbiota and growth performance n rabbits in the post-weaning period. Three isonutritive diets which only varied in the levels of soluble fiber were formulated such as it described as follows: a control diet (AH) containing 103 g of neutral detergent soluble fiber, including alfalfa as main source of fiber, was replaced by a mixture of beet and apple pulp (75-25) in the B-AP diet and, by a mix of oat hulls and soybean protein concentrate (88:12) in the OH diet, resulting 131 and 79 g of NDFS/kg of dry matter, respectively. Rabbits, weaned at 25 days of age, were fed the experimental diets up to 35 days of age, moment in which they were slaughtered for apparent ileal digestibility (AID) of dry matter (DM), crude protein (CP) and starch, mucosa morphology, sucrose activity, characterization of lamina propria lymphocytes and intestinal microbiota. To assess mucosal morphology, 19 suckling 35-d-old rabbits were also used. For mortality study, besides these animals, 118 additional rabbits per treatment were fed the experimental diets for two weeks period and thereafter received a commercial diet until 60 days of age. Rabbits were water medicated during the whole experimental period (100 ppm de apramicine sulphate and 120 ppm of tylosine tartrate). Level of soluble fiber improved all the parameters used for the characterization of the intestinal barrier condition. Villous height of the jejunal mucosa increased with dietary soluble fiber (P=0.001). Villous height of jejunal mucosa increased with dietary soluble fiber (P = 0.001). Rabbits fed the highest level of soluble fiber (BA-P diet) showed the highest villous height/crypth depth ratio (8.14; P = 0.001), sucrase specific activity (8671 μmol glucose/ g protein; P = 0.019), and the greatest ileal starch digestibility (96.8%; P = 0.002). The opposite effects were observed in rabbits fed decreased levels of soluble fiber (AH and OH diets; 4.70, 5,848 μmol of glucose/g of protein, as average, respectively). The lowest ileal starch digestibility was detected for animal fed OH diet (93.2%). Suckling rabbits of the same age showed a lower villous height/crypt depth ratio (6.70) compared with the B-AP diet group, but this ration was higher that the AH or OH diet groups. Lower levels of soluble fiber tended (P = 0.074) to increase the cellular immune response (CD8+ lymphocytes). Diet affected IL-2 production (CD25+, P = 0.029; CD5+CD25+, P = 0.057), with no clear relationship between soluble fiber and IL-2. The intestinal microbiota biodiversity was not affected by diets (P ≥ 0.38). Animals fed B-AP and AH diets had a reduced cecal frequency of detection compatible with Campylobacter spp. (20.3 vs. 37.8, P = 0.074), and Clostridium perfringens (4.3 vs. 17.6%, P = 0.047), compared with the OH diet group. Moreover, the mortality rates decreased from 14.4 (OH diet) to 5.1% (B-AP diet) with the increased presence of soluble fiber in the diet. Between 32 and 35 days of age, faecal apparent digestibility of dry matter (DM), gross energy (GE), crude protein (CP), neutral detergent fiber (NDF), acid detergent fiber (ADF) and starch was determined (14/diet). This group, plus another nine rabbits/diet were used to determine weight of stomach and caecum and their contents, cecal fermentation traits and similarity rate (SR) of intestinal microbiota. Besides, growth performance parameters (35 rabbits/diet) were studied during the whole fattening period, in animals consuming the experimental feed after the weaning up to 35 days of age and later on a commercial diet up animals reached 60 days of age. Increasing levels of Neutral Detergent Soluble Fiber improved faecal dry matter and energy digestibility (P<0.001). NDSF inclusion improved linearly weight of the caecal content (P=0.001) and the total gastrointestinal tract (P=0.008), and in the previous days to slaughter a linear decrease of daily feed intake in diet with highest level of soluble fiber was also observed. Stomach pH decreased linearly with increasing levels of NDFS (P≤0.041). No relation between NDSF level on pH, concentration and molar proportion of VFA was found. Treatments appeared to influence the similarity rate of microbiota, even higher to mother effect. These effects were higher in ileum than in caecum. A linear positive effect of feed efficiency was observed, which increased around 12% in the two weeks post-weaning (25-39d) and 3% in the whole fattening period between extreme diets with highest levels of soluble fiber. Average daily feed intake during the two weeks after weaning and in the whole fattening period, tended (P≤0.079) to increase with highest levels of NDSF; although there were no effect on daily weight gain (≥0.15). In conclusion, an increase of soluble fiber in the feed seems to be beneficial for animal health, due to improve mucose integrity and reduce detection frequency of those poten tial pathogens like C. perfringens and Campylobacter spp. According to these results, level of soluble fiber should be taking care in feed rabbit formulation in the post-weaning period. The objective of the second experiment was to determine the effect of source of starch on digestion, intestinal microbiota and growth performance in twenty-five-day old weaned rabbits. To accomplish with this aim three iso-nutritive diets were formulated with different source of starch: raw wheat, boiled wheat and a combination of boiled wheat and boiled rice. Two groups of 99 and 193 rabbits were weaned at 25 days of age. The first group was used for growth performance determination following the same protocol than in previous experiment. The second group was used to determine faecal digestibility from 32 to 35 d, apparent ileal digestibility (AID) at 35 d, jejunal mucosa morphology, caecal fermentation traits and characterization of intestinal microbiota. For mortality, two additional groups of 384 (medicated) and 177 (not medicated) were used in order to study the effect of antibiotic water supply supplementation. Heat processing of starch slightly improved ileal digestibility of starch (P=0.020) but did not modify the flow of starch to the caecum. An increase in frequency of detection of Campylobacter spp. y Ruminococcus spp. was observed in the caecum (P≤0.023), with no changes at ileal level. Heat processing of wheat did not modify growth performance, mortality, ileal or faecal digestibility and mucosa morphology. Partial substitution of boiled wheat for boiled rice in the diet impaired ileal starch digestibility (P=0.020) and increased the ileal flow of this nutrient to the caecum (P=0.007). However, it did not affect mortality rate, although changes in the ileal and caecal intestinal microbiota were detected, decreasing the frequency of detection of Campylobacter spp. (both ileum and caecum), Helicobacter spp. (at ileum) and Ruminococcus spp (at caecum) and increasing the Bacteroides spp. (at caecum) (P≤0.046). The effect of boiled rice supplementation did not alter growth performance, mortality, ileal or faecal digestibility of other nutrients than starch, and mucosa morphology. Medication of rabbits reduced the ileal frequency of detection of most bacteria studied (P≤0.048), especially for Campylobacter spp., Clostridium perfringens y Propionibacterium spp. (P≤0.048), resulting the effect higher at ileal than caecal level and relating it with a strong reduction of mortality rate (P<0.001). In conclusion, the results of this experiment make think that the source of starch affects the intestinal microbiota but they do not seem to influence animal health. In relation to the effect of heat processed the use of cooked wheat or cooked rice it does not seem to im prove the results obtained with hard wheat, but there would be necessary more experiments that were confirming this point. The last experiment focused on a methodological aspect. Considering that, weaned rabbits have a different digestive pattern than older animals due to their digestive immaturity; the fixed objective was to determine the best procedure for faecal digestibility determination in young rabbits in the post-weaning period. Fifteen rabbits from 5 different litters were weaned at 25 days of age and fed with a commercial feed. Feed intake and faeces excretion were recorded daily from 25 to 40 days of age for dry matter digestibility (DMd) determination. Litter affected daily DM intake and excretion (P=0.013 y 0.014, respectively) and tended to affect DMd (P=0.061). Age affected all these factors (P<0.001), but ingestion increased slowly than dry matter excretion during the first week buth they evolved similarly in the second week. The correlation between daily feed intakes was higher with the faeces excretion of the day than with faeces excretion of the next day, and the first values were used to determine daily DMd. The DMd decreased linearly from weaning to 32 d of age (2.17±0.25 percentage units per day), whereas from 32 to 40 d remained constant (69.4±0.47%). On the other hand, average standard deviation of DMd decreased by 54% when the length of collection period increased from 2 to 6d. Consequently to the obtained results, it could be concluded that it would not be advisable to start digestibility trials before the 32 days of age and that the number of animals required to detect a significant difference among means would depend on the collection period.

Thermal, stress, and traps effects in AlGaN/GaN HEMTs

GaN y AlN son materiales semiconductores piezoeléctricos del grupo III-V. La heterounión AlGaN/GaN presenta una elevada carga de polarización tanto piezoeléctrica como espontánea en la intercara, lo que genera en su cercanía un 2DEG de grandes concentración y movilidad. Este 2DEG produce una muy alta potencia de salida, que a su vez genera una elevada temperatura de red. Las tensiones de puerta y drenador provocan un stress piezoeléctrico inverso, que puede afectar a la carga de polarización piezoeléctrica y así influir la densidad 2DEG y las características de salida. Por tanto, la física del dispositivo es relevante para todos sus aspectos eléctricos, térmicos y mecánicos. En esta tesis se utiliza el software comercial COMSOL, basado en el método de elementos finitos (FEM), para simular el comportamiento integral electro-térmico, electro-mecánico y electro-térmico-mecánico de los HEMTs de GaN. Las partes de acoplamiento incluyen el modelo de deriva y difusión para el transporte electrónico, la conducción térmica y el efecto piezoeléctrico. Mediante simulaciones y algunas caracterizaciones experimentales de los dispositivos, hemos analizado los efectos térmicos, de deformación y de trampas. Se ha estudiado el impacto de la geometría del dispositivo en su auto-calentamiento mediante simulaciones electro-térmicas y algunas caracterizaciones eléctricas. Entre los resultados más sobresalientes, encontramos que para la misma potencia de salida la distancia entre los contactos de puerta y drenador influye en generación de calor en el canal, y así en su temperatura. El diamante posee une elevada conductividad térmica. Integrando el diamante en el dispositivo se puede dispersar el calor producido y así reducir el auto-calentamiento, al respecto de lo cual se han realizado diversas simulaciones electro-térmicas. Si la integración del diamante es en la parte superior del transistor, los factores determinantes para la capacidad disipadora son el espesor de la capa de diamante, su conductividad térmica y su distancia a la fuente de calor. Este procedimiento de disipación superior también puede reducir el impacto de la barrera térmica de intercara entre la capa adaptadora (buffer) y el substrato. La muy reducida conductividad eléctrica del diamante permite que pueda contactar directamente el metal de puerta (muy cercano a la fuente de calor), lo que resulta muy conveniente para reducir el auto-calentamiento del dispositivo con polarización pulsada. Por otra parte se simuló el dispositivo con diamante depositado en surcos atacados sobre el sustrato como caminos de disipación de calor (disipador posterior). Aquí aparece una competencia de factores que influyen en la capacidad de disipación, a saber, el surco atacado contribuye a aumentar la temperatura del dispositivo debido al pequeño tamaño del disipador, mientras que el diamante disminuiría esa temperatura gracias a su elevada conductividad térmica. Por tanto, se precisan capas de diamante relativamente gruesas para reducer ele efecto de auto-calentamiento. Se comparó la simulación de la deformación local en el borde de la puerta del lado cercano al drenador con estructuras de puerta estándar y con field plate, que podrían ser muy relevantes respecto a fallos mecánicos del dispositivo. Otras simulaciones se enfocaron al efecto de la deformación intrínseca de la capa de diamante en el comportamiento eléctrico del dispositivo. Se han comparado los resultados de las simulaciones de la deformación y las características eléctricas de salida con datos experimentales obtenidos por espectroscopía micro-Raman y medidas eléctricas, respectivamente. Los resultados muestran el stress intrínseco en la capa producido por la distribución no uniforme del 2DEG en el canal y la región de acceso. Además de aumentar la potencia de salida del dispositivo, la deformación intrínseca en la capa de diamante podría mejorar la fiabilidad del dispositivo modulando la deformación local en el borde de la puerta del lado del drenador. Finalmente, también se han simulado en este trabajo los efectos de trampas localizados en la superficie, el buffer y la barrera. Las medidas pulsadas muestran que tanto las puertas largas como las grandes separaciones entre los contactos de puerta y drenador aumentan el cociente entre la corriente pulsada frente a la corriente continua (lag ratio), es decir, disminuir el colapse de corriente (current collapse). Este efecto ha sido explicado mediante las simulaciones de los efectos de trampa de superficie. Por su parte, las referidas a trampas en el buffer se enfocaron en los efectos de atrapamiento dinámico, y su impacto en el auto-calentamiento del dispositivo. Se presenta también un modelo que describe el atrapamiento y liberación de trampas en la barrera: mientras que el atrapamiento se debe a un túnel directo del electrón desde el metal de puerta, el desatrapamiento consiste en la emisión del electrón en la banda de conducción mediante túnel asistido por fonones. El modelo también simula la corriente de puerta, debida a la emisión electrónica dependiente de la temperatura y el campo eléctrico. Además, también se ilustra la corriente de drenador dependiente de la temperatura y el campo eléctrico. ABSTRACT GaN and AlN are group III-V piezoelectric semiconductor materials. The AlGaN/GaN heterojunction presents large piezoelectric and spontaneous polarization charge at the interface, leading to high 2DEG density close to the interface. A high power output would be obtained due to the high 2DEG density and mobility, which leads to elevated lattice temperature. The gate and drain biases induce converse piezoelectric stress that can influence the piezoelectric polarization charge and further influence the 2DEG density and output characteristics. Therefore, the device physics is relevant to all the electrical, thermal, and mechanical aspects. In this dissertation, by using the commercial finite-element-method (FEM) software COMSOL, we achieved the GaN HEMTs simulation with electro-thermal, electro-mechanical, and electro-thermo-mechanical full coupling. The coupling parts include the drift-diffusion model for the electron transport, the thermal conduction, and the piezoelectric effect. By simulations and some experimental characterizations, we have studied the device thermal, stress, and traps effects described in the following. The device geometry impact on the self-heating was studied by electro-thermal simulations and electrical characterizations. Among the obtained interesting results, we found that, for same power output, the distance between the gate and drain contact can influence distribution of the heat generation in the channel and thus influence the channel temperature. Diamond possesses high thermal conductivity. Integrated diamond with the device can spread the generated heat and thus potentially reduce the device self-heating effect. Electro-thermal simulations on this topic were performed. For the diamond integration on top of the device (top-side heat spreading), the determinant factors for the heat spreading ability are the diamond thickness, its thermal conductivity, and its distance to the heat source. The top-side heat spreading can also reduce the impact of thermal boundary resistance between the buffer and the substrate on the device thermal behavior. The very low electrical conductivity of diamond allows that it can directly contact the gate metal (which is very close to the heat source), being quite convenient to reduce the self-heating for the device under pulsed bias. Also, the diamond coated in vias etched in the substrate as heat spreading path (back-side heat spreading) was simulated. A competing mechanism influences the heat spreading ability, i.e., the etched vias would increase the device temperature due to the reduced heat sink while the coated diamond would decrease the device temperature due to its higher thermal conductivity. Therefore, relative thick coated diamond is needed in order to reduce the self-heating effect. The simulated local stress at the gate edge of the drain side for the device with standard and field plate gate structure were compared, which would be relevant to the device mechanical failure. Other stress simulations focused on the intrinsic stress in the diamond capping layer impact on the device electrical behaviors. The simulated stress and electrical output characteristics were compared to experimental data obtained by micro-Raman spectroscopy and electrical characterization, respectively. Results showed that the intrinsic stress in the capping layer caused the non-uniform distribution of 2DEG in the channel and the access region. Besides the enhancement of the device power output, intrinsic stress in the capping layer can potentially improve the device reliability by modulating the local stress at the gate edge of the drain side. Finally, the surface, buffer, and barrier traps effects were simulated in this work. Pulsed measurements showed that long gates and distances between gate and drain contact can increase the gate lag ratio (decrease the current collapse). This was explained by simulations on the surface traps effect. The simulations on buffer traps effects focused on illustrating the dynamic trapping/detrapping in the buffer and the self-heating impact on the device transient drain current. A model was presented to describe the trapping and detrapping in the barrier. The trapping was the electron direct tunneling from the gate metal while the detrapping was the electron emission into the conduction band described by phonon-assisted tunneling. The reverse gate current was simulated based on this model, whose mechanism can be attributed to the temperature and electric field dependent electron emission in the barrier. Furthermore, the mechanism of the device bias via the self-heating and electric field impact on the electron emission and the transient drain current were also illustrated.

Technology and characterization of GaN-HEMTs devices: high temperature and trapping effects

Los transistores de alta movilidad electrónica basados en GaN han sido objeto de una extensa investigación ya que tanto el GaN como sus aleaciones presentan unas excelentes propiedades eléctricas (alta movilidad, elevada concentración de portadores y campo eléctrico crítico alto). Aunque recientemente se han incluido en algunas aplicaciones comerciales, su expansión en el mercado está condicionada a la mejora de varios asuntos relacionados con su rendimiento y habilidad. Durante esta tesis se han abordado algunos de estos aspectos relevantes; por ejemplo, la fabricación de enhancement mode HEMTs, su funcionamiento a alta temperatura, el auto calentamiento y el atrapamiento de carga. Los HEMTs normalmente apagado o enhancement mode han atraído la atención de la comunidad científica dedicada al desarrollo de circuitos amplificadores y conmutadores de potencia, ya que su utilización disminuiría significativamente el consumo de potencia; además de requerir solamente una tensión de alimentación negativa, y reducir la complejidad del circuito y su coste. Durante esta tesis se han evaluado varias técnicas utilizadas para la fabricación de estos dispositivos: el ataque húmedo para conseguir el gate-recess en heterostructuras de InAl(Ga)N/GaN; y tratamientos basados en flúor (plasma CF4 e implantación de F) de la zona debajo de la puerta. Se han llevado a cabo ataques húmedos en heteroestructuras de InAl(Ga)N crecidas sobre sustratos de Si, SiC y zafiro. El ataque completo de la barrera se consiguió únicamente en las muestras con sustrato de Si. Por lo tanto, se puede deducir que la velocidad de ataque depende de la densidad de dislocaciones presentes en la estructura, ya que el Si presenta un peor ajuste del parámetro de red con el GaN. En relación a los tratamientos basados en flúor, se ha comprobado que es necesario realizar un recocido térmico después de la fabricación de la puerta para recuperar la heteroestructura de los daños causados durante dichos tratamientos. Además, el estudio de la evolución de la tensión umbral con el tiempo de recocido ha demostrado que en los HEMTs tratados con plasma ésta tiende a valores más negativos al aumentar el tiempo de recocido. Por el contrario, la tensión umbral de los HEMTs implantados se desplaza hacia valores más positivos, lo cual se atribuye a la introducción de iones de flúor a niveles más profundos de la heterostructura. Los transistores fabricados con plasma presentaron mejor funcionamiento en DC a temperatura ambiente que los implantados. Su estudio a alta temperatura ha revelado una reducción del funcionamiento de todos los dispositivos con la temperatura. Los valores iniciales de corriente de drenador y de transconductancia medidos a temperatura ambiente se recuperaron después del ciclo térmico, por lo que se deduce que dichos efectos térmicos son reversibles. Se han estudiado varios aspectos relacionados con el funcionamiento de los HEMTs a diferentes temperaturas. En primer lugar, se han evaluado las prestaciones de dispositivos de AlGaN/GaN sobre sustrato de Si con diferentes caps: GaN, in situ SiN e in situ SiN/GaN, desde 25 K hasta 550 K. Los transistores con in situ SiN presentaron los valores más altos de corriente drenador, transconductancia, y los valores más bajos de resistencia-ON, así como las mejores características en corte. Además, se ha confirmado que dichos dispositivos presentan gran robustez frente al estrés térmico. En segundo lugar, se ha estudiado el funcionamiento de transistores de InAlN/GaN con diferentes diseños y geometrías. Dichos dispositivos presentaron una reducción casi lineal de los parámetros en DC en el rango de temperaturas de 25°C hasta 225°C. Esto se debe principalmente a la dependencia térmica de la movilidad electrónica, y también a la reducción de la drift velocity con la temperatura. Además, los transistores con mayores longitudes de puerta mostraron una mayor reducción de su funcionamiento, lo cual se atribuye a que la drift velocity disminuye más considerablemente con la temperatura cuando el campo eléctrico es pequeño. De manera similar, al aumentar la distancia entre la puerta y el drenador, el funcionamiento del HEMT presentó una mayor reducción con la temperatura. Por lo tanto, se puede deducir que la degradación del funcionamiento de los HEMTs causada por el aumento de la temperatura depende tanto de la longitud de la puerta como de la distancia entre la puerta y el drenador. Por otra parte, la alta densidad de potencia generada en la región activa de estos transistores conlleva el auto calentamiento de los mismos por efecto Joule, lo cual puede degradar su funcionamiento y Habilidad. Durante esta tesis se ha desarrollado un simple método para la determinación de la temperatura del canal basado en medidas eléctricas. La aplicación de dicha técnica junto con la realización de simulaciones electrotérmicas han posibilitado el estudio de varios aspectos relacionados con el autocalentamiento. Por ejemplo, se han evaluado sus efectos en dispositivos sobre Si, SiC, y zafiro. Los transistores sobre SiC han mostrado menores efectos gracias a la mayor conductividad térmica del SiC, lo cual confirma el papel clave que desempeña el sustrato en el autocalentamiento. Se ha observado que la geometría del dispositivo tiene cierta influencia en dichos efectos, destacando que la distribución del calor generado en la zona del canal depende de la distancia entre la puerta y el drenador. Además, se ha demostrado que la temperatura ambiente tiene un considerable impacto en el autocalentamiento, lo que se atribuye principalmente a la dependencia térmica de la conductividad térmica de las capas y sustrato que forman la heterostructura. Por último, se han realizado numerosas medidas en pulsado para estudiar el atrapamiento de carga en HEMTs sobre sustratos de SiC con barreras de AlGaN y de InAlN. Los resultados obtenidos en los transistores con barrera de AlGaN han presentado una disminución de la corriente de drenador y de la transconductancia sin mostrar un cambio en la tensión umbral. Por lo tanto, se puede deducir que la posible localización de las trampas es la región de acceso entre la puerta y el drenador. Por el contrario, la reducción de la corriente de drenador observada en los dispositivos con barrera de InAlN llevaba asociado un cambio significativo en la tensión umbral, lo que implica la existencia de trampas situadas en la zona debajo de la puerta. Además, el significativo aumento del valor de la resistencia-ON y la degradación de la transconductancia revelan la presencia de trampas en la zona de acceso entre la puerta y el drenador. La evaluación de los efectos del atrapamiento de carga en dispositivos con diferentes geometrías ha demostrado que dichos efectos son menos notables en aquellos transistores con mayor longitud de puerta o mayor distancia entre puerta y drenador. Esta dependencia con la geometría se puede explicar considerando que la longitud y densidad de trampas de la puerta virtual son independientes de las dimensiones del dispositivo. Finalmente se puede deducir que para conseguir el diseño óptimo durante la fase de diseño no sólo hay que tener en cuenta la aplicación final sino también la influencia que tiene la geometría en los diferentes aspectos estudiados (funcionamiento a alta temperatura, autocalentamiento, y atrapamiento de carga). ABSTRACT GaN-based high electron mobility transistors have been under extensive research due to the excellent electrical properties of GaN and its related alloys (high carrier concentration, high mobility, and high critical electric field). Although these devices have been recently included in commercial applications, some performance and reliability issues need to be addressed for their expansion in the market. Some of these relevant aspects have been studied during this thesis; for instance, the fabrication of enhancement mode HEMTs, the device performance at high temperature, the self-heating and the charge trapping. Enhancement mode HEMTs have become more attractive mainly because their use leads to a significant reduction of the power consumption during the stand-by state. Moreover, they enable the fabrication of simpler power amplifier circuits and high-power switches because they allow the elimination of negativepolarity voltage supply, reducing significantly the circuit complexity and system cost. In this thesis, different techniques for the fabrication of these devices have been assessed: wet-etching for achieving the gate-recess in InAl(Ga)N/GaN devices and two different fluorine-based treatments (CF4 plasma and F implantation). Regarding the wet-etching, experiments have been carried out in InAl(Ga)N/GaN grown on different substrates: Si, sapphire, and SiC. The total recess of the barrier was achieved after 3 min of etching in devices grown on Si substrate. This suggests that the etch rate can critically depend on the dislocations present in the structure, since the Si exhibits the highest mismatch to GaN. Concerning the fluorine-based treatments, a post-gate thermal annealing was required to recover the damages caused to the structure during the fluorine-treatments. The study of the threshold voltage as a function of this annealing time has revealed that in the case of the plasma-treated devices it become more negative with the time increase. On the contrary, the threshold voltage of implanted HEMTs showed a positive shift when the annealing time was increased, which is attributed to the deep F implantation profile. Plasma-treated HEMTs have exhibited better DC performance at room temperature than the implanted devices. Their study at high temperature has revealed that their performance decreases with temperature. The initial performance measured at room temperature was recovered after the thermal cycle regardless of the fluorine treatment; therefore, the thermal effects were reversible. Thermal issues related to the device performance at different temperature have been addressed. Firstly, AlGaN/GaN HEMTs grown on Si substrate with different cap layers: GaN, in situ SiN, or in situ SiN/GaN, have been assessed from 25 K to 550 K. In situ SiN cap layer has been demonstrated to improve the device performance since HEMTs with this cap layer have exhibited the highest drain current and transconductance values, the lowest on-resistance, as well as the best off-state characteristics. Moreover, the evaluation of thermal stress impact on the device performance has confirmed the robustness of devices with in situ cap. Secondly, the high temperature performance of InAlN/GaN HEMTs with different layouts and geometries have been assessed. The devices under study have exhibited an almost linear reduction of the main DC parameters operating in a temperature range from room temperature to 225°C. This was mainly due to the thermal dependence of the electron mobility, and secondly to the drift velocity decrease with temperature. Moreover, HEMTs with large gate length values have exhibited a great reduction of the device performance. This was attributed to the greater decrease of the drift velocity for low electric fields. Similarly, the increase of the gate-to-drain distance led to a greater reduction of drain current and transconductance values. Therefore, this thermal performance degradation has been found to be dependent on both the gate length and the gate-to-drain distance. It was observed that the very high power density in the active region of these transistors leads to Joule self-heating, resulting in an increase of the device temperature, which can degrade the device performance and reliability. A simple electrical method have been developed during this work to determine the channel temperature. Furthermore, the application of this technique together with the performance of electro-thermal simulations have enabled the evaluation of different aspects related to the self-heating. For instance, the influence of the substrate have been confirmed by the study of devices grown on Si, SiC, and Sapphire. HEMTs grown on SiC substrate have been confirmed to exhibit the lowest self-heating effects thanks to its highest thermal conductivity. In addition to this, the distribution of the generated heat in the channel has been demonstrated to be dependent on the gate-to-drain distance. Besides the substrate and the geometry of the device, the ambient temperature has also been found to be relevant for the self-heating effects, mainly due to the temperature-dependent thermal conductivity of the layers and the substrate. Trapping effects have been evaluated by means of pulsed measurements in AlGaN and InAIN barrier devices. AlGaN barrier HEMTs have exhibited a de crease in drain current and transconductance without measurable threshold voltage change, suggesting the location of the traps in the gate-to-drain access region. On the contrary, InAIN barrier devices have showed a drain current associated with a positive shift of threshold voltage, which indicated that the traps were possibly located under the gate region. Moreover, a significant increase of the ON-resistance as well as a transconductance reduction were observed, revealing the presence of traps on the gate-drain access region. On the other hand, the assessment of devices with different geometries have demonstrated that the trapping effects are more noticeable in devices with either short gate length or the gate-to-drain distance. This can be attributed to the fact that the length and the trap density of the virtual gate are independent on the device geometry. Finally, it can be deduced that besides the final application requirements, the influence of the device geometry on the performance at high temperature, on the self-heating, as well as on the trapping effects need to be taken into account during the device design stage to achieve the optimal layout.

Asymptotic and computational analysis of mistuning effects on the dynamics of bladed disks

Es bien conocido que las pequeñas imperfecciones existentes en los álabes de un rótor de turbomaquinaria (conocidas como “mistuning”) pueden causar un aumento considerable de la amplitud de vibración de la respuesta forzada y, por el contrario, tienen típicamente un efecto beneficioso en el flameo del rótor. Para entender estos efectos se pueden llevar a cabo estudios numéricos del problema aeroelástico completo. Sin embargo, el cálculo de “mistuning” usando modelos de alta resolución es una tarea difícil de realizar, ya que los modelos necesarios para describir de manera precisa el componente de turbomáquina (por ejemplo rotor) tienen, necesariamente, un número muy elevado de grados de libertad, y, además, es necesario hacer un estudio estadístico para poder explorar apropiadamente las distribuciones posibles de “mistuning”, que tienen una naturaleza aleatoria. Diferentes modelos de orden reducido han sido desarrollados en los últimos años para superar este inconveniente. Uno de estos modelos, llamado “Asymptotic Mistuning Model (AMM)”, se deriva de la formulación completa usando técnicas de perturbaciones que se basan en que el “mistuning” es pequeño. El AMM retiene sólo los modos relevantes para describir el efecto del mistuning, y permite identificar los mecanismos clave involucrados en la amplificación de la respuesta forzada y en la estabilización del flameo. En este trabajo, el AMM se usa para estudiar el efecto del “mistuning” de la estructura y de la amortiguación sobre la amplitud de la respuesta forzada. Los resultados obtenidos son validados usando modelos simplificados del rotor y también otros de alta definición. Además, en el marco del proyecto europeo FP7 "Flutter-Free Turbomachinery Blades (FUTURE)", el AMM se aplica para diseñar distribuciones de “mistuning” intencional: (i) una que anula y (ii) otra que reduce a la mitad la amplitud del flameo de un rotor inestable; y las distribuciones obtenidas se validan experimentalmente. Por último, la capacidad de AMM para predecir el comportamiento de flameo de rotores con “mistuning” se comprueba usando resultados de CFD detallados. Abstract It is well known that the small imperfections of the individual blades in a turbomachinery rotor (known as “mistuning”) can cause a substantial increase of the forced response vibration amplitude, and it also typically results in an improvement of the flutter vibration characteristics of the rotor. The understanding of these phenomena can be attempted just by performing numerical simulations of the complete aeroelastic problem. However, the computation of mistuning cases using high fidelity models is a formidable task, because a detailed model of the whole rotor has to be considered, and a statistical study has to be carried out in order to properly explore the effect of the random mistuning distributions. Many reduced order models have been developed in recent years to overcome this barrier. One of these models, called the Asymptotic Mistuning Model (AMM), is systematically derived from the complete bladed disk formulation using a consistent perturbative procedure that exploits the smallness of mistuning to simplify the problem. The AMM retains only the essential system modes that are involved in the mistuning effect, and it allows to identify the key mechanisms of the amplification of the forced response amplitude and the flutter stabilization. In this work, AMM methodolgy is used to study the effect of structural and damping mistuning on the forced response vibration amplitude. The obtained results are verified using a one degree of freedom model of a rotor, and also high fidelity models of the complete rotor. The AMM is also applied, in the frame of the European FP7 project “Flutter-Free Turbomachinery Blades (FUTURE)”, to design two intentional mistuning patterns: (i) one to complete stabilize an unstable rotor, and (ii) other to approximately reduce by half its flutter amplitude. The designed patterns are validated experimentally. Finally, the ability of AMM to predict the flutter behavior of mistuned rotors is checked against numerical, high fidelity CFD results.

Effects of a bifenthrin-treated net on the natural enemies Aphidius colemani (Haliday) and Adalia bipunctata L. in a cucumber crop in Central Spain. Semi-field experiments

Pest management practices that rely on pesticides are growing increasingly less effective and environmentally inappropriate in many cases and the search of alternatives is under focus nowadays. Exclusion of pests from the crop by means of pesticide-treated screens can be an eco-friendly method to protect crops, especially if pests are vectors of important diseases. The mesh size of nets is crucial to determine if insects can eventually cross the barrier or exclude them because there is a great variation in insect size depending on the species. Long-lasting insecticide-treated (LLITN) nets, factory pre-treated, have been used since years to fight against mosquitoes vector of malaria and are able to retain their biological efficacy under field for 3 years. In agriculture, treated nets with different insecticides have shown efficacy in controlling some insects and mites, so they seem to be a good tool in helping to solve some pest problems. However, treated nets must be carefully evaluated because can diminish air flow, increase temperature and humidity and decrease light transmission, which may affect plant growth, pests and natural enemies. As biological control is considered a key factor in IPM nowadays, the potential negative effects of treated nets on natural enemies need to be studied carefully. In this work, the effects of a bifentrhin-treated net (3 g/Kg) (supplied by the company Intelligent Insect Control, IIC) on natural enemies of aphids were tested on a cucumber crop in Central Spain in autumn 2011. The crop was sown in 8x6.5 m tunnels divided in 2 sealed compartments with control or treated nets, which were simple yellow netting with 25 mesh (10 x 10 threads/cm2; 1 x 1 mm hole size). Pieces of 2 m high of the treated-net were placed along the lateral sides of one of the two tunnel compartments in each of the 3 available tunnels (replicates); the rest was covered by a commercial untreated net of a similar mesh. The pest, Aphis gossypii Glover (Aphidae), the parasitoid Aphidius colemani (Haliday) (Braconidae) and the predator Adalia bipunctata L. (Coccinellidae) were artificially introduced in the crop. Weekly sampling was done determining the presence or absence of the pest and the natural enemies (NE) in the 42 plants/compartment as well as the number of insects in 11 marked plants. Environmental conditions (temperature, relative humidity, UV and PAR radiation) were recorded. Results show that when aphids were artificially released inside the tunnels, neither its number/plant nor their distribution was affected by the treated net. A lack of negative effect of the insecticide-treated net on natural enemies was also observed. Adalia bipunctata did not establish in the crop and only a short term control of aphids was observed one week after release. On the other hand, A. colemani did establish in the crop and a more long-term effect on the numbers of aphids/plant was detected irrespective of the type of net. KEY WORDS: bifenthrin-treated net, Adalia bipunctata, Aphidius colemani, Aphis gossypii, semi-field

Trapping phenomena in AlGaN and InAlN barrier HEMTs with different geometries

PAPER Trapping phenomena in AlGaN and InAlN barrier HEMTs with different geometries S Martin-Horcajo1, A Wang1, A Bosca1, M F Romero1, M J Tadjer1,2, A D Koehler2, T J Anderson2 and F Calle1 Published 11 February 2015 • © 2015 IOP Publishing Ltd Semiconductor Science and Technology, Volume 30, Number 3 Article PDF Figures References Citations Metrics 350 Total downloads Cited by 1 articles Export citation and abstract BibTeX RIS Turn on MathJax Share this article Article information Abstract Trapping effects were evaluated by means of pulsed measurements under different quiescent biases for GaN/AlGaN/GaN and GaN/InAlN/GaN. It was found that devices with an AlGaN barrier underwent an increase in the on-resistance, and a drain current and transconductance reduction without measurable threshold voltage change, suggesting the location of the traps in the gate-drain access region. In contrast, devices with an InAlN barrier showed a transconductance and a decrease in drain associated with a significant positive shift of threshold voltage, indicating that the traps were likely located under the gate region; as well as an on-resistance degradation probably associated with the presence of surface traps in the gate-drain access region. Furthermore, measurements of drain current transients at different ambient temperatures revealed that the activation energy of electron traps was 0.43 eV and 0.38 eV for AlGaN and InAlN barrier devices, respectively. Experimental and simulation results demonstrated the influence of device geometry on the observed trapping effects, since devices with larger gate lengths and gate-to-drain distance values exhibited less noticeable charge trapping effects.