AlGaN dubbele-kanaal HEMTs leveren hogere drainstroomdichtheid en superieure doorbraakspanning

Samenvatting

In dit werk wordt een AlGaN dubbele-kanaal heterostructuur voorgesteld en gegroeid door metaal-organische chemische dampafscheiding (MOCVD), en hoge-prestatie AlGaN dubbele-kanaal hoge-elektronenmobiliteits-transistors (HEMTs) gefabriceerd en onderzocht. De implementatie van het dubbele-kanaal kenmerk verbetert effectief de transporteigenschappen van AlGaN kanaal heterostructuren. Enerzijds wordt de totale twee-dimensionale elektrongas (2DEG) dichtheid verhoogd door de dubbele potentiaalputten in de verticale richting en de verbeterde ladingdragerinperking. Anderzijds wordt de gemiddelde 2DEG dichtheid in elk kanaal verlaagd, en de mobiliteit verhoogd als gevolg van de onderdrukking van het ladingdrager-ladingdrager verstrooiingseffect. Als resultaat bereikt de maximale drainstroomdichtheid (I_max) van AlGaN dubbele-kanaal HEMTs 473 mA/mm bij een gate-spanning van 0 V. Bovendien wordt de superieure doorbraakprestatie van de AlGaN dubbele-kanaal HEMTs gedemonstreerd. Deze resultaten tonen niet alleen het grote toepassingspotentieel van AlGaN dubbele-kanaal HEMTs in microgolf-poelektronica, maar ontwikkelen ook een nieuwe denkwijze voor de studie van groep-III nitriet-gebaseerde elektronische apparaten.

Inleiding

Groep-III nitriet-gebaseerde hoge-elektronenmobiliteits-transistors (HEMTs) zijn geïdentificeerd als de meest veelbelovende kandidaten voor next-generation microgolf-poelektronica vanwege hun snelle schakelsnelheid en lage schakelverliezen. Recentelijk hebben de meest geavanceerde nitriet HEMTs initiële commercialisatie bereikt tot 650 V. Echter, met de rijping van de apparaatfabricatietechnologie, is het steeds moeilijker om de doorbraakspanningen (V_b) verder op te schalen en de apparaten betrouwbaarheid bij hoge temperaturen te verbeteren. Daarom, in het licht van de grotere bandkloof en superieure thermische stabiliteit van AlGaN ten opzichte van GaN, zijn AlGaN kanaal apparaten voorgesteld als veelbelovende kandidaten om de prestatielimieten van nitriet HEMTs in hoge-spanning en hoge-temperatuur toepassingen verder te verbeteren.

Nanjo et al. toonden de opvallende verbetering van de doorbraakspanning van AlGaN kanaal HEMTs, met een maximale doorbraakspanning van 1650 V in Al₀.₅₃Ga₀.₄₇N/Al₀.₃₈Ga₀.₆₂N HEMTs met gate-drain afstanden van 10 μm. Vervolgens verhogen Nanjo et al. de doorbraakspanning van Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N/Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N HEMTs naar 1700 V. Zhang et al. fabriceren AlGaN kanaal HEMTs met een nieuwe ohmisch/Schottky-hybride draincontact, en bereikten een record hoge doorbraakspanning van meer dan 2200 V. Xiao et al. voeren AlGaN kanaal heterostructuren in met hoge 2DEG mobiliteit van 807 cm²/V·s, en rapporteren records van maximale drainstroom en I_on/I_off ratio. Daarna voeren Xiao et al. voor het eerst normaal-uit HEMTs met superlattice AlGaN kanaallaag in, met doorbraakspanning >2000 V, hoge aan-stroomdichtheid van 768 mA/mm, en drempelspanning (V_T) van 1,0 V. Recent evalueerden Baca et al. de RF-prestaties van AlGaN kanaal HEMTs met 80-nm gate-lengte. f_T van 28,4 GHz en f_MAX van 18,5 GHz werden bepaald uit kleine-signaal S-parameter metingen. Deze resultaten illustreren de belofte van AlGaN kanaal HEMTs voor RF-poetoepassingen.

De beperkingen van eerdere AlGaN kanaal apparaten zijn echter even duidelijk. Enerzijds is de 2DEG mobiliteit in AlGaN kanaal veel lager dan in GaN kanaal door het ternaire legering verstrooiingseffect. Als resultaat is de stroomdrijfcapaciteit van AlGaN kanaal apparaten veel lager dan die van traditionele GaN kanaal apparaten. Anderzijds, om dezelfde hoeveelheid 2DEG in AlGaN kanaal te induceren, moet het AlN-component in de AlGaN barrièrelaag hoger zijn dan in conventionele GaN kanaal heterostructuren, wat de moeilijkheden in het materiaalgroeiproces vergroot. Deze contradicties remmen de wijdverspreide toepassing van AlGaN kanaal apparaten serieus, en optimalisaties van de heterostructuurlayout zijn dringend nodig.

Dubbele-kanaal techniek is een intrigerende benadering om de kanaal ladingdragerdichtheid van nitriet-gebaseerde heterostructuren te promoten zonder nadelige impact op de elektronenmobiliteit, waardoor de stroomgeleidingscapaciteit van de apparaten verbetert. Er zijn echter weinig rapporten over AlGaN dubbele-kanaal heterostructuren of elektronische apparaten tot nu toe. In dit werk wordt voor het eerst een AlGaN dubbele-kanaal heterostructuur voorgesteld en gegroeid om de contradicties tussen de stroomdrijfcapaciteit en de doorbraakprestaties van nitriet-gebaseerde elektronische apparaten op te lossen. Verder worden hoge-prestatie AlGaN dubbele-kanaal HEMTs gebaseerd op de nieuwe heterostructuur gefabriceerd en in detail onderzocht.

Methodes

Het dwarsdoorsnede schematische van de AlGaN dubbele-kanaal heterostructuur is getoond in Fig. 1a, en de groeiprocessen kunnen als volgt worden samengevat. Ten eerste werd een 1600 nm GaN bufferlaag gegroeid op het safirsubstraat. Vervolgens werd een 500 nm gegraalde AlGaN bufferlaag met AlN-samenstelling stijgend van 0 tot 10% gegroeid, wat gunstig was voor het onderdrukken van de vorming van een parasitaire kanaal. Daarna werden 100 nm lagere AlGaN kanaal, 1 nm AlN tussenschakellaag, en 23 nm lagere AlGaN barrièrelaag successief gegroeid, met AlN-samenstellingen in de kanaal- en barrièrelagen van respectievelijk 10% en 31%. Ten slotte werden 30 nm bovenste AlGaN kanaal, 1 nm AlN tussenschakellaag, en 23 nm bovenste AlGaN barrièrelagen gegroeid, met dezelfde samenstellingen als de lagere lagen. Het geleidingsbanddiagram van de AlGaN dubbele-kanaal heterostructuur kan worden berekend door de eendimensionale Poisson-Schrödinger vergelijking zelfconsistent op te lossen, die de eindige-differentiemethode met een niet-uniforme maasgrootte gebruikt. Het geleidingsbanddiagram en de geëxtraheerde elektrondichtheidsverdeling van de AlGaN dubbele-kanaal heterostructuur geïllustreerd in Fig. 2a, en de resultaten van de AlGaN enkelvoudige kanaal heterostructuur zijn ook gegeven in Fig. 2b voor vergelijking. Twee diepe potentiaalputten worden gevormd aan de interface van AlN tussenschakellagen en Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N kanaallagen voor de AlGaN dubbele-kanaal heterostructuur, corresponderend met de dubbele 2DEG kanalen. Bovendien kan waargenomen worden dat de 2DEG dichtheid in het bovenste kanaal hoger is dan in het lagere kanaal, wat uit twee aspecten kan worden verklaard. Enerzijds fungeert de lagere AlGaN barrièrelaag als achterbarrière van het bovenste kanaal, wat gunstig is voor de promotie van de 2DEG inperking van het bovenste kanaal. Anderzijds is de belangrijkste bron van de kanaal 2DEG in nitriet heterostructuren de donor-achtige oppervlaktestaten, die dichter bij het bovenste kanaal liggen.

Resultaten en Discussie

Fig. 3 toont de hoge-resolutie röntgendiffractie (HRXRD) ω-2θ scan resultaat van de AlGaN dubbele-kanaal heterostructuur van symmetrische (0004) reflectie. De diffractie-intensiteit van AlN nucleatielaag, GaN buffer, AlGaN gegraalde buffer, AlGaN kanaal, en AlGaN barrièrelagen kan waargenomen worden. Bovendien wordt het spectrumscan van 71,0 tot 73,2° gepresenteerd in Fig. 2b met vergroting voor duidelijkheid, en de Lorentz-functie wordt toegepast om de multi-pieken te fitten. De diffractiepieken van GaN buffer, AlGaN kanaal, en AlGaN barrière liggen bij 71,6°, 72,2°, en 72,8°, en de AlGaN gegraalde buffer resulteert in een plateau tussen de pieken van GaN buffer en AlGaN kanaal. Deze resultaten duiden op de duidelijke meerlaagse structuur en de gesofisticeerde controle van het groeiproces, en de AlN-samenstellingen van 10% en 31% in de AlGaN kanaal en barrière kunnen worden geëxtraheerd.

Capaciteit-spanning (C-V) meting met kwik-proef configuratie werd uitgevoerd om de dubbele-kanaal kenmerken van de heterostructuur te onderzoeken. Zoals getoond in de inset van Fig. 4, kunnen twee duidelijke capaciteitstappen waargenomen worden bij ongeveer -2,5 V en -10 V met de toegepaste spanning gesweept van 0 tot -15 V, corresponderend met de depletie van 2DEG aan de AlN/Al₀.₁₀Ga₀.₉₀ interfaces. Daarnaast kunnen de ladingdragerverdelingseigenschappen uit de C-V kurve geëxtraheerd worden en het resultaat is geïllustreerd in Fig. 4. Twee ladingdragerconcentratiepieken liggen op 24 en 78 nm met waarden van 6,1×10¹⁹ en 2,5×10¹⁹ cm⁻³, wat in overeenstemming is met het berekende resultaat (Fig. 2). Speciaal is dat geen parasitaire geleidingskanaal waargenomen kan worden tot de testdiepte 1 μm bereikt, wat de succesvolle bereiking van de dubbele-kanaal eigenschappen van de heterostructuur suggereert. Bovendien werden de 2DEG vlekdichtheid en mobiliteit bepaald op 1,3×10¹³ cm⁻² en 1130 cm²/V·s door de Halffectmeting.

De standaard HEMTs fabricatieproces werd uitgevoerd op de AlGaN dubbele-kanaal heterostructuur. Het apparaatfabricatieproces startte met ohmisch contact gevormd door Ti/Al/Ni/Au meervoudige metallagen gestoffen door elektronenbundelverdamping, gevolgd door een snelle thermische annealing bij 850 °C gedurende 30 s in N₂-atmosfeer. Vervolgens werd mesa-isolatie uitgevoerd door Cl₂/BCl₃ geïnductief gekoppelde plasma-etsen tot een diepte van 200 nm, en een 100-nm dikke SiN-passivatielaag gevormd door plasma-ondersteunde chemische dampafscheiding. Daarna werd een gategebied met een lengte (L_G) van 0,8 μm gedefinieerd door fotolithografie na het etsen van de bovenste SiN met CF₄-plasma, en vervolgens een Ni/Au Schottky gate-elektrode gedeponeerd. De gate-source (L_GS) en gate-drain (L_GD) afstanden zijn 0,8 en 1 μm respectievelijk. Voor vergelijkingsdoeleinden werden twee additionele HEMTs monsters gebaseerd op conventionele AlGaN enkelvoudige kanaal en GaN dubbele-kanaal heterostructuren ook gefabriceerd, en de dwarsdoorsnede schematische zijn getoond in Fig. 1b en c. Het apparaatproces en karakteristieke parameters van de additionele HEMTs monsters zijn exact hetzelfde als de AlGaN dubbele-kanaal HEMTs. De output- en transfereigenschappen van de apparaten werden uitgevoerd met Keithley 4200 halfgeleider parameteranalyser, en de doorbraakkenmerken met Agilent B1505A hoge-spanning halfgeleider analysator systeem.

De typische outputkenmerken van de HEMTs geïllustreerd in Fig. 5, waarvoor V_GS en V_DS gesweept werden van 0~−10 V en 0~10 V. De maximale drainstroomdichtheid (I_max) en differentiële aan-weerstand (R_on) van het AlGaN enkelvoudige kanaal monster zijn 265,3 mA/mm en 27,1 Ω·mm respectievelijk. Deze resultaten zijn in overeenstemming met eerdere rapporten, wat de tekortkoming van AlGaN kanaal HEMTs in stroomdrijfcapaciteit suggereert. Voor de AlGaN dubbele-kanaal HEMTs stijgt de I_max dramatisch naar 473 mA/mm, wat 1,8 keer hoger is dan die van AlGaN enkelvoudige kanaal HEMTs. We schrijven de verbetering in I_max toe aan de superieure transporteigenschappen van de AlGaN dubbele-kanaal heterostructuur. Enerzijds bezit de dubbele-kanaal structuur twee potentiaalputten in de verticale richting, en de ladingdrageropslagcapaciteit van het AlGaN geleidingskanaal wordt gepromoveerd. Anderzijds, hoewel de totale kanaal ladingdragerdichtheid toeneemt, is de gemiddelde elektrondichtheid in elk kanaal verlaagd. Als resultaat wordt het ladingdrager-ladingdrager verstrooiingseffect onderdrukt en de kanaal elektronenmobiliteit verhoogd. Echter, het R_on van AlGaN dubbele-kanaal HEMTs is 12,5 Ω·mm, nog steeds groter dan dat van GaN dubbele-kanaal HEMTs. Dit fenomeen is gerelateerd aan de grote contactbarrièrehoogte van de AlGaN barrièrelagen, waarvoor de AlN-samenstelling zo hoog is als 31%. Vanwege het zelfverhittingseffect ten gevolge van hoge vermogensdissipatie, kan het negatieve differentiële weerstandseffect waargenomen worden voor GaN dubbele-kanaal HEMTs wanneer V_GS > −4 V en V_DS > 6 V. Niettemin, voor AlGaN kanaal HEMTs (zowel enkelvoudige als dubbele kanaal) wordt dit negatieve differentiële weerstandseffect significant onderdrukt, wat de superieure prestaties van AlGaN kanaal HEMTs in verhoogde temperatuuromstandigheden manifesteert.

Fig. 6 illustreert de typische transfereigenschappen van de HEMTs met V_DS van 10 V. De AlGaN enkelvoudige kanaal HEMTs vertonen een drempelspanning (V_T) van −3,8 V, samen met een inferieure piek extrinsieke transconductantie (G_m,max) van 80,5 mS/mm in de buurt van V_GS = −1,5 V. Voor de AlGaN dubbele-kanaal en GaN dubbele-kanaal HEMTs daalt de V_T opvallend naar −9,2 en −11,2 V, wat voortkomt uit de hoge kanaal ladingdragerdichtheid en de relatief grote afstand van de gate-elektrode tot de lagere 2DEG kanaal. De hoge V_T kan leiden tot hoog vermogensverlies van de apparaten in uit-stand, en dit probleem kan verbeterd worden door de groeiparameters van dubbele-kanaal structuren verder te optimaliseren, zoals het adequaat verminderen van de dikte van barrière- en bovenste kanaallagen. Speciaal kunnen dubbele-piek kenmerken waargenomen worden in de transconductantiekrommen van AlGaN dubbele-kanaal en GaN dubbele-kanaal HEMTs. Voor de AlGaN dubbele-kanaal HEMTs kunnen twee piekwaarden van 97,9 en 42,5 mS/mm geëxtraheerd worden bij V_G = −1,0 en −6,0 V. De sub-piek waarde bereikt 43% van de G_m,max, wat de fatsoenlijke gate-controle capaciteit en lineariteit van de AlGaN dubbele-kanaal HEMTs aangeeft. Bovendien, gebaseerd op ons eerdere onderzoeksresultaat, kunnen de resultaten verder verbeterd worden door de structuurparameters te modelleren, zoals de dikte en samenstelling van de AlGaN dubbele kanalen, en het koppelingseffect tussen de dubbele kanalen en de apparaatlineariteit kan verbeterd worden.

De uit-stand doorbraakkenmerken van de HEMTs gebaseerd op verschillende heterostructuren worden gemeten en getoond in Fig. 7. De V_b wordt gedefinieerd door het criterium van lekkagestroom bereikend 5 μA/mm. Het kan waargenomen worden dat alle drie monsters harde doorbraakkenmerken vertonen, en de doorbraakprestaties van AlGaN kanaal HEMTs is duidelijk beter dan die van GaN kanaal HEMTs. De V_b van de AlGaN dubbele-kanaal HEMTs is 143,5 V, meer dan twee keer hoger dan die van de GaN dubbele-kanaal HEMTs. Rekening houdend met L_GD = 1 μm, is de V_b,standaard (gedefinieerd door V_b/L_GD) zo hoog als 143,5 V/μm voor de AlGaN dubbele-kanaal HEMTs. De I_max en V_b,standaard resultaten van de AlGaN dubbele-kanaal HEMTs in dit werk worden gebenchmarkt tegen de GaN kanaal en AlGaN kanaal HEMTs gerapporteerd door andere groepen in Fig. 8, en de resultaten van depletie-modus (DM) en verrijkingsmodus (EM) apparaten worden onderscheiden. Daarnaast worden de kernindexen van de AlGaN kanaal HEMTs (heterostructuren) in eerdere rapporten en dit werk samengevat in Tabel 1. Zoals Fig. 8 toont, is het duidelijk dat de doorbraakprestaties van AlGaN kanaal HEMTs over het algemeen beter zijn dan die van GaN kanaal HEMTs, vergezeld van achteruitgang in I_max. Opvallend is dat de I_max van de AlGaN dubbele-kanaal in dit werk vergelijkbaar is met de meeste resultaten van GaN kanaal HEMTs. Bovendien is het nodig om op te merken dat de I_max waarde in dit werk verkregen is bij V_GS = 0 V, wat conservatief is en verder verbeterd kan worden door positieve gate-spanning toe te passen. Daarom demonstreren deze resultaten overtuigend het enorme potentieel van AlGaN dubbele-kanaal HEMTs in microgolf-poelapparaat toepassingen.

Conclusies

Samenvattend, een AlGaN dubbele-kanaal heterostructuur wordt voorgesteld om hoge-prestatie HEMTs te fabriceren. De superieure transporteigenschappen van de AlGaN dubbele-kanaal heterostructuur worden onthuld, wat leidt tot verbeterde stroomdrijfcapaciteit van de HEMTs. Daarnaast wordt de uitstekende doorbraakprestatie van de AlGaN dubbele-kanaal HEMTs gedemonstreerd. De resultaten in dit werk tonen het grote potentieel van AlGaN dubbele-kanaal apparaten in toekomstige microgolf-poetoepassingen.

Beschikbaarheid van Data en Materialen

Alle data gegenereerd of geanalyseerd tijdens deze studie zijn opgenomen in dit gepubliceerde artikel en de bijbehorende supplementaire informatiebestanden.

Afkortingen

MOCVD:

Metaal-organische chemische dampafscheiding

HEMTs:

Hoge-elektronenmobiliteits-transistors

2DEG:

Twee-dimensionaal elektrongas

I_max:

Maximale drainstroomdichtheid

V_b:

Doorbraakspanning

V_T:

Drempelspanning

RF:

Radiofrequentie

HRXRD:

Hoge-resolutie röntgendiffractie

C-V:

Capaciteit-spanning

L_G:

Gate-lengte

L_GS:

Gate-source afstand

L_GD:

Gate-drain afstand

R_on:

Aan-weerstand

G_m:

Transconductantie

DM:

Depletie-modus

EM:

Verrijkingsmodus