Via‑Hole‑Lengte Modulatie Maakt Normaal‑Uit GaN HEMTs met 300 nm Kanalen Mogelijk

Samenvatting

We melden een doorbraak in normaal‑uit AlGaN/GaN high‑electron‑mobility transistors (HEMTs) door controle van de via‑hole‑lengte in een multi‑mesa‑channel (MMC) architectuur. Enhancement‑mode (E‑mode) apparaten met kanaalbreedtes tot 300 nm werden gefabriceerd, met positieve drempelspanningen van +0,79 V (100 nm / 2 µm) en +0,46 V (300 nm / 6 µm). Deze apparaten vertonen lagere on‑weerstanden dan conventionele tri‑gate nanoribbon HEMTs, terwijl ze hoge drainstroom en verbeterde thermische stabiliteit behouden. De via‑hole‑lengte beheerst oppervlakte‑pinning en laterale depletie, wat schaalbare normaal‑uit GaN power‑elektronica mogelijk maakt.

Achtergrond

III‑V wijd‑bandgap nitriden bieden ongeëvenaarde prestaties voor hoge‑frequentie en hoge‑spanning toepassingen dankzij hun grote bandgaps, kritische velden en elektron‑verzadigingsnelheden. AlGaN/GaN heterostructuren vormen 2‑DEG kanalen die hoog‑presterende transistors ondersteunen, doch hun intrinsieke depletion‑mode (D‑mode) gedrag vereist complexe schakelingen voor digitale, RF en power‑toepassingen. Conventionele strategieën om normaal‑uit werking te induceren – ingenzette gates, p‑type capping, tunneljuncties, ionimplantatie of rapid‑thermal annealing – degradieren vaak de opbrengst of introduceren betrouwbaarheidsproblemen.

Recente fin‑nanostructuren hebben getoond dat het verminderen van de kanaalbreedte onder ~100 nm de drempelspanning (Vth) positief verschuift, dankzij zijwand oppervlakte‑pinning en spanningontspanning. Echter, het bereiken van lage on‑weerstand (Ron) met sub‑100 nm kanalen blijft uitdagend, omdat gate‑breedte schaling lekkage en transconductantie nadelig beïnvloedt. Ons werk adresseert dit door een tri‑gate MMC structuur te integreren met instelbare via‑hole‑lengtes om gelijktijdig E‑mode werking, lage Ron en robuuste thermische prestaties te bereiken.

Methoden

De AlGaN/GaN epitaxielaag werd gegroeid op c‑vlak safier door MOCVD (Nippon Sanso SR‑2000). Een 600 °C GaN nucleatielaag werd gevolgd door een 2 µm ongedopeerde GaN buffer, een 21,8 nm ongedopeerde AlGaN barrière (23% Al) en een 2 nm GaN cap, allemaal gedeponeerd bij 1180 °C. Mesa‑isolatie en periodieke graafetsen werden uitgevoerd door ICP‑RIE (BCl3/Cl2). Post‑ets kristallografische herstel gebruikte gesmolten KOH voor zijwand‑verfijning, en piraanhouder oplossing verwijderde organische resten. Fotolithografie definieerde source, drain, gate en contactpads. Ohmische contacten (Ti/Al/Ni/Au 30/120/20/80 nm) werden geanneald bij 850 °C gedurende 30 s onder vacuüm; gate‑elektroden waren Ni/Au 20/80 nm. Apparaatdimensies: gate‑lengte 2 µm, MMC breedte 100–500 nm, via‑hole‑lengte 1–6 µm, hoogte 130 nm. Geen passivatie werd toegepast op de via‑hole‑lengte om oppervlakte‑pinning effecten te behouden.

Resultaten en Discussie

De meeste GaN HEMTs blijven D‑mode vanwege de inherent 2‑DEG. Het bereiken van normaal‑uit werking vereist nauwkeurige controle van oppervlakte depletie en gate‑controle. De zijwand dangling bonds (~10¹⁵ cm⁻²) produceren een oppervlakte‑pinning veld dat het kanaal lateraal depleet. In onze tri‑gate MMC dicteert de via‑hole‑lengte de omvang van deze depletie.

Figuur 3a toont de laterale depletie rond de zijwanden. Transfer karakteristieken (Figuur 3b) voor LMMC = 2 µm en WMMC = 100, 300, 500 nm onthullen Vth van +0,79, –1,32 en –2,18 V bij VDS = 8 V, wat de positieve verschuiving met verminderde breedte bevestigt. Het effect ontstaat uit gecombineerde laterale depletie en via‑hole‑lengte oppervlakte buiging.

Door LMMC te variëren bij vaste WMMC = 300 nm (Figuur 4), verkregen we Vth van –2,12, –1,07 en +0,46 V voor LMMC = 1, 2 en 6 µm respectievelijk. Het 6 µm LMMC apparaat bereikt E‑mode werking. Tabel 1 vat de afhankelijkheid van Vth, IDSsat en gm samen van zowel WMMC als LMMC. Opvallend is dat het verhogen van LMMC van 0,8 tot 6 µm Vth verschuift van negatief naar positief, terwijl IDSsat en gm afnemen – een verwachte trade‑off die acceptabel is voor power‑toepassingen waar lage Ron cruciaal is.

In vergelijking met eerdere kunst vertonen onze E‑mode apparaten aanzienlijk lagere Ron, terwijl ze acceptabele drainstroom en transconductantie behouden, dankzij de ingenieerde oppervlakte‑pinning en tri‑gate geometrie. Thermische metingen bevestigen verminderde Joule‑verhitting door gedistribueerde stroomflow.

Conclusies

We hebben gedemonstreerd dat via‑hole‑lengte modulatie in een multi‑mesa‑channel GaN HEMT normaal‑uit werking toestaat met kanaalbreedtes tot 300 nm. Apparaten met WMMC = 300 nm en LMMC = 6 µm leveren Vth = +0,46 V, lage Ron en verbeterde power‑hantering, wat de weg baant voor next‑generatie GaN power‑elektronica.