Hoogwaardige AlGaN dubbelkanaals HEMT's met verbeterde afvoerstroomdichtheid en hoge doorslagspanning

Resultaten en discussie

Figuur 3 toont het hoge resolutie röntgendiffractie (HRXRD) ω-2θ-scanresultaat van de AlGaN dubbelkanaals heterostructuur van symmetrische (0004) reflectie. De diffractie-intensiteit van AlN-kiemvormingslaag, GaN-buffer, AlGaN-gegradeerde buffer, AlGaN-kanaal en AlGaN-barrièrelagen kan worden waargenomen. Bovendien wordt de spectrumscan van 71,0 tot 73,2 ° weergegeven in figuur 2b met een vergroting voor de duidelijkheid, en de Lorentz-functie wordt toegepast om op de multi-pieken te passen. De diffractiepieken van GaN-buffer, AlGaN-kanaal en AlGaN-barrière bevinden zich op 71,6 °, 72,2 ° en 72,8 °, en de AlGaN-gegradeerde buffer resulteert in een platform tussen de pieken van GaN-buffer en AlGaN-kanaal. Deze resultaten duiden op de duidelijke meerlaagse structuur en de geavanceerde controle van het groeiproces, en de AlN-samenstellingen van 10% en 31% in het AlGaN-kanaal en de barrière kunnen worden geëxtraheerd.

HRXRD (0004) vlak ω-2θ scan van AlGaN dubbelkanaals heterostructuur

Meting van capaciteit en spanning (C-V) met een kwiksondeconfiguratie werd uitgevoerd om de dubbelkanaalskenmerken van de heterostructuur te onderzoeken. Zoals getoond in de inzet van Fig. 4, kunnen twee verschillende capaciteitsstappen worden waargenomen bij ongeveer − 2,5 V en − 10 V met de aangelegde spanning van 0 tot − 15 V, wat overeenkomt met de uitputting van 2DEG bij AlN/Al_0.10 Ga_0,90 interfaces. Bovendien kunnen de dragerdistributie-eigenschappen worden geëxtraheerd uit de C-V-curve en het resultaat wordt geïllustreerd in Fig. 4. Twee dragerconcentratiepieken bevinden zich op 24 en 78 nm met de waarden van 6,1 × 10 ¹⁹ en 2,5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , wat in overeenstemming is met het berekende resultaat zoals weergegeven in Fig. 2. In het bijzonder kan er geen parasitair geleidingskanaal worden waargenomen totdat de testdiepte 1 m bereikt, wat suggereert dat de dubbele kanaaleigenschappen van de heterostructuur succesvol zijn bereikt. Bovendien werden de 2DEG-plaatdichtheid en mobiliteit vastgesteld op 1,3 × 10 ¹³ cm ⁻² en 1130 cm ² /Vs door de Hall-effectmeting.

C-V-karakteristieken en elektronenverdelingscurve van AlGaN dubbelkanaals heterostructuur

Het standaard HEMT-fabricageproces werd uitgevoerd op de AlGaN dubbelkanaals heterostructuur. Het fabricageproces van het apparaat begon met ohms contact gevormd met Ti/Al/Ni/Au meerlagige metalen stapeling afgezet door elektronenstraalverdamping, gevolgd door een snelle thermische uitgloeiing bij 850 °C gedurende 30 s in N₂ atmosfeer. Vervolgens werd de mesa-isolatie uitgevoerd door Cl₂ /BCl₃ inductief gekoppeld plasma-etsen tot een diepte van 200 nm, en een 100 nm dikke SiN-passiveringslaag werd gevormd door plasma-versterkte chemische dampafzetting. Daarna een poortgebied met een lengte (L _G ) van 0,8 m werd gedefinieerd door fotolithografie na het etsen van het bovenste SiN met CF₄ plasma, en vervolgens werd een Ni/Au schottky-poortelektrode afgezet. De poortbron (L _GS ) en gate-drain (L _GD ) afstanden zijn respectievelijk 0,8 en 1 m. Voor vergelijkingsdoeleinden werden ook twee extra HEMTs-monsters gefabriceerd op basis van de conventionele AlGaN enkelkanaals en GaN dubbelkanaals heterostructuren, en de dwarsdoorsnedeschema's worden getoond in Fig. 1b en c. Het apparaatproces en de karakteristieke parameters van de extra HEMT's-samples zijn precies hetzelfde met de AlGaN dubbelkanaals HEMT's. De uitvoer- en overdrachtseigenschappen van de apparaten zijn uitgevoerd met Keithley 4200 halfgeleiderparameteranalysator en de doorslagkarakteristieken zijn uitgevoerd met behulp van Agilent B1505A hoogspanningshalfgeleideranalysatorsysteem.

De typische uitgangskarakteristieken van de HEMT's worden geïllustreerd in Fig. 5, waarvoor de V_GS en V_DS werden geveegd van 0~− 10 V en 0~10 V. De maximale afvoerstroomdichtheid (I _max ) en differentiële aan-weerstand (R _aan ) van het AlGaN-monster met één kanaal zijn respectievelijk 265,3 mA/mm en 27,1 mm. Deze resultaten zijn in overeenstemming met de eerdere rapporten, wat suggereert dat er een tekort is aan AlGaN-kanaal-HEMT's in de huidige aandrijfcapaciteit. Voor de AlGaN dubbelkanaals HEMT's, de I _max neemt dramatisch toe tot 473 mA/mm, wat 1,8 keer hoger is dan die van AlGaN enkelkanaals HEMT's. We schrijven de verbetering toe aan I _max aan de superieure transporteigenschappen van de AlGaN dubbelkanaals heterostructuur. Aan de ene kant bezit de dubbele kanaalstructuur twee potentiaalputten in de verticale richting en wordt het opslagvermogen van de drager van het AlGaN-geleidingskanaal bevorderd. Aan de andere kant, hoewel de totale dichtheid van de kanaaldragers wordt verhoogd, wordt de gemiddelde elektronendichtheid in elk kanaal verlaagd. Als resultaat wordt het verstrooiingseffect van de draaggolfdrager onderdrukt en wordt de kanaalelektronenmobiliteit verhoogd. Het kan echter worden opgemerkt dat de R _aan van AlGaN dubbelkanaals HEMT's is 12,5 mm, nog steeds groter dan die van GaN dubbelkanaals HEMT's. Dit fenomeen houdt verband met de grote contactbarrièrehoogte van de AlGaN-barrièrelagen, waarvoor de AlN-samenstelling maar liefst 31% is. Vanwege het zelfverhittingseffect als gevolg van de hoge vermogensdissipatie, kan het negatieve differentiële weerstandseffect worden waargenomen voor de GaN dubbelkanaals HEMT's wanneer V _GS>− 4 V en V _DS> 6 V. Niettemin wordt dit negatieve differentiële weerstandseffect voor de AlGaN-kanaal-HEMT's (zowel enkelkanaals als dubbelkanaals) aanzienlijk onderdrukt, wat de superieure prestaties van AlGaN-kanaal-HEMT's bij verhoogde temperatuur tot uiting brengt.

Uitgangskenmerken van AlGaN dubbelkanaals, AlGaN enkelkanaals en GaN dubbelkanaals HEMT's

Afbeelding 6 illustreert de typische overdrachtseigenschappen van de HEMT's met V _DS van 10  V. De AlGaN enkelkanaals HEMT's vertonen een drempelspanning (V _T ) van − 3,8 V, samen met een inferieure extrinsieke piektransconductantie (G _m,max ) van 80,5 mS/mm in de buurt van V _GS =− 1,5  V. Voor de AlGaN dubbelkanaals en GaN dubbelkanaals HEMT's, de V _T neemt opmerkelijk af tot − 9,2 en − 11,2 V, wat het gevolg is van de hoge kanaaldraaggolfdichtheid en de relatief lange afstand van de poortelektrode tot het onderste 2DEG-kanaal. De hoge V _T kan resulteren in een hoog vermogensverlies van de apparaten in de uitgeschakelde toestand, en dit probleem kan worden verbeterd door de groeiparameters van dubbelkanaalsstructuren verder te optimaliseren, zoals het correct verminderen van de dikte van de barrière- en bovenste kanaallagen. In het bijzonder kunnen dubbele bultkarakteristieken worden waargenomen van de transconductantiecurven van AlGaN dubbelkanaals en GaN dubbelkanaals HEMT's. Voor de AlGaN dubbelkanaals HEMT's kunnen twee piekwaarden van 97,9 en 42,5 mS/mm worden geëxtraheerd bij V _G =− 1,0 en − 6,0 V De sub-piekwaarde bereikt 43% van de G_m,max , wat wijst op het behoorlijke poortbesturingsvermogen en de lineariteit van de AlGaN dubbelkanaals HEMT's. Bovendien kunnen, op basis van onze eerdere onderzoeksresultaten [21], de resultaten verder worden verbeterd door de structuurparameters te moduleren, zoals de dikte en samenstelling van de AlGaN dubbele kanalen, en het koppelingseffect tussen de dubbele kanalen en de lineariteit van het apparaat kan worden verbeterd.

Overdrachtskenmerken van AlGaN dubbelkanaals, AlGaN enkelkanaals en GaN dubbelkanaals HEMT's

De off-state doorslagkarakteristieken van de HEMT's op basis van verschillende heterostructuren worden gemeten en getoond in Fig. 7. De V _b wordt gedefinieerd door de criteria van lekstroom die 5 μA/mm bereikt. Opgemerkt kan worden dat alle drie de monsters harde doorslagkarakteristieken vertonen, en de doorslagprestaties van AlGaN-kanaal HEMT's zijn duidelijk beter dan die van de GaN-kanaal HEMT's. De V _b van de AlGaN dubbelkanaals HEMT's is 143,5 V, meer dan twee keer hoger dan die van de GaN dubbelkanaals HEMT's. De L . nemen _GD =1 μm in overweging, de V _b,standaard (gedefinieerd door V _b /L _GD ) is zo hoog als 143,5 V/μm voor de AlGaN dubbelkanaals HEMT's. De ik _max en V _b,standaard resultaten van de AlGaN dubbelkanaals HEMT's in dit werk worden vergeleken met de GaN-kanaal- en AlGaN-kanaal-HEMT's gerapporteerd door andere groepen in Fig. 8, en de resultaten van depletion-mode (DM) en enhancement-mode (EM) apparaten worden onderscheiden. Bovendien zijn de kernindexen van de AlGaN-kanaal-HEMT's (heterostructuren) in eerdere rapporten en dit werk samengevat in tabel 1. Zoals figuur 8 laat zien, is het duidelijk dat de afbraakprestaties van AlGaN-kanaal-HEMT's over het algemeen beter zijn dan die van GaN kanaal HEMT's, gepaard gaand met de verslechtering in I _max . Opvallend is dat de I _max van het AlGaN-dubbelkanaal in dit werk is vergelijkbaar met de meeste resultaten van de GaN-kanaal HEMT's. Bovendien moet worden opgemerkt dat de I _max waarde in dit werk wordt verkregen bij V _GS =0 V, wat conservatief is en verder kan worden verbeterd door aangelegde positieve poortspanning. Daarom demonstreren deze resultaten op overtuigende wijze het enorme potentieel van AlGaN dubbelkanaals HEMT's in toepassingen met microgolfvermogens.

Uitsplitsingskenmerken van AlGaN dubbelkanaals, AlGaN enkelkanaals en GaN dubbelkanaals HEMT's

Benchmark van I _max en V _b,standaard voor AlGaN-kanaal en GaN-kanaal HEMT's