HEMT AlGaN de doble canal de alto rendimiento con densidad de corriente de drenaje mejorada y alto voltaje de ruptura

Resultados y discusión

La Figura 3 muestra el resultado de escaneo de difracción de rayos X de alta resolución (HRXRD) ω-2θ de la heteroestructura de doble canal AlGaN a partir de la reflexión simétrica (0004). Se puede observar la intensidad de difracción de la capa de nucleación de AlN, el tampón de GaN, el tampón graduado de AlGaN, el canal de AlGaN y las capas de barrera de AlGaN. Además, la exploración del espectro de 71,0 a 73,2 ° se presenta en la Fig. 2b con un aumento para mayor claridad, y la función de Lorentz se aplica para ajustar los picos múltiples. Los picos de difracción del tampón de GaN, el canal de AlGaN y la barrera de AlGaN se ubican en 71,6 °, 72,2 ° y 72,8 °, y el tampón graduado de AlGaN da como resultado una plataforma entre los picos del tampón de GaN y el canal de AlGaN. Estos resultados indican la estructura multicapa distintiva y el control sofisticado del proceso de crecimiento, y se pueden extraer las composiciones de AlN del 10% y el 31% en el canal y la barrera de AlGaN.

HRXRD (0004) plano ω-2θ escaneo de heteroestructura de doble canal AlGaN

Se realizó una medición de capacitancia-voltaje (C-V) con configuración de sonda de mercurio para investigar las características de doble canal de la heteroestructura. Como se muestra en el recuadro de la Fig.4, se pueden observar dos pasos de capacitancia distintos en alrededor de - 2.5 V y - 10 V con el voltaje aplicado barrido de 0 a - 15 V, correspondiente al agotamiento de 2DEG en AlN / Al _0,10 Ga _0.90 interfaces. Además, las propiedades de distribución de portadores se pueden extraer de la curva C-V y el resultado se ilustra en la Fig. 4. Dos picos de concentración de portadores se ubican a 24 y 78 nm con valores de 6,1 × 10 ¹⁹ y 2,5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , que está de acuerdo con el resultado calculado como se muestra en la Fig. 2. Especialmente, no se puede observar ningún canal de conducción parásito hasta que la profundidad de prueba alcanza 1 μm, lo que sugiere el logro exitoso de las propiedades de doble canal de la heteroestructura. Además, se determinó que la densidad y la movilidad de la hoja 2DEG eran 1,3 × 10 ¹³ cm ⁻² y 1130 cm ² / V ∙ s por la medición del efecto Hall.

Características C-V y curva de distribución de electrones de la heteroestructura de doble canal de AlGaN

El proceso de fabricación estándar de HEMT se llevó a cabo en la heteroestructura de doble canal AlGaN. El proceso de fabricación del dispositivo comenzó con un contacto óhmico formado con una pila de metal multicapa de Ti / Al / Ni / Au depositada por evaporación por haz de electrones, seguido de un recocido térmico rápido a 850 ° C durante 30 s en N ₂ atmósfera. Luego, el aislamiento de mesa fue realizado por Cl ₂ / BCl ₃ Se formó un grabado con plasma acoplado inductivamente a una profundidad de 200 nm y una capa de pasivación de SiN de 100 nm de espesor mediante deposición química en fase de vapor mejorada con plasma. Posteriormente, un área de puerta con una longitud ( L _G ) de 0,8 μm se definió mediante fotolitografía después de grabar el SiN superior con CF ₄ plasma, y ​​luego se depositó un electrodo de puerta Schottky de Ni / Au. La fuente de la puerta ( L _GS ) y desagüe de la puerta ( L _GD ) las distancias son de 0,8 y 1 μm, respectivamente. Para fines de comparación, también se fabricaron dos muestras de HEMT adicionales basadas en las heteroestructuras convencionales de canal único de AlGaN y de canal doble de GaN, y los esquemas de sección transversal se muestran en la Fig. 1 by c. El proceso del dispositivo y los parámetros característicos de las muestras de HEMT adicionales son exactamente los mismos que los de los HEMT de doble canal AlGaN. Las propiedades de salida y transferencia de los dispositivos se llevaron a cabo con el analizador de parámetros de semiconductores Keithley 4200, y las características de ruptura se realizaron utilizando el sistema analizador de semiconductores de alto voltaje Agilent B1505A.

Las características de salida típicas de los HEMT se ilustran en la Fig.5, para las cuales el V _GS y V _DS fueron barridos de 0 ~ - 10 V y 0 ~ 10 V. La densidad máxima de corriente de drenaje ( I _máx ) y diferencial de resistencia ( R _en ) de la muestra de canal único AlGaN son 265,3 mA / mm y 27,1 Ω ∙ mm, respectivamente. Estos resultados están de acuerdo con los informes anteriores, lo que sugiere la deficiencia de los HEMT del canal AlGaN en la capacidad de transmisión actual. Para los HEMT de doble canal AlGaN, el I _máx aumenta drásticamente a 473 mA / mm, que es 1,8 veces más alto que el de los HEMT de canal único AlGaN. Atribuimos la mejora en I _máx a las propiedades de transporte superiores de la heteroestructura de doble canal de AlGaN. Por un lado, la estructura de doble canal posee dos pozos potenciales a lo largo de la dirección vertical y se promueve la capacidad de almacenamiento de portadores del canal de conducción AlGaN. Por otro lado, aunque aumenta la densidad de portadora de canal total, se reduce la densidad de electrones promedio en cada canal. Como resultado, se suprime el efecto de dispersión portadora-portadora y se eleva la movilidad de los electrones del canal. Sin embargo, se puede observar que la R _en de los HEMT de doble canal de AlGaN es de 12,5 Ω ∙ mm, aún mayor que la de los HEMT de doble canal de GaN. Este fenómeno está relacionado con la gran altura de la barrera de contacto de las capas de barrera de AlGaN, para las cuales la composición de AlN es tan alta como 31%. Debido al efecto de autocalentamiento resultante de la disipación de alta potencia, se puede observar el efecto de resistencia diferencial negativo para los HEMT de doble canal de GaN cuando V _GS > - 4 V y V _DS > 6 V. Sin embargo, para los HEMT de canal AlGaN (tanto de un solo canal como de doble canal), este efecto de resistencia diferencial negativo se suprime significativamente, manifestando el rendimiento superior de los HEMT de canal AlGaN en condiciones de temperatura elevada.

Características de salida de los HEMT de doble canal AlGaN, canal único AlGaN y canal doble GaN

La Figura 6 ilustra las propiedades de transferencia típicas de los HEMT con V _DS de 10 V. Los HEMT de canal único AlGaN exhiben un voltaje de umbral ( V _T ) de - 3,8 V, junto con un pico de transconductancia extrínseca inferior ( G _{m, máximo} ) de 80,5 mS / mm en las proximidades de V _GS =- 1,5 V. Para los HEMT de doble canal AlGaN y GaN de doble canal, el V _T disminuye notablemente a -9,2 y -11,2 V, que es el resultado de la alta densidad de portadora del canal y la distancia relativamente larga desde el electrodo de puerta al canal 2DEG inferior. El alto V _T puede resultar en una gran pérdida de potencia de los dispositivos en estado apagado, y este problema se puede mejorar optimizando aún más los parámetros de crecimiento de las estructuras de doble canal, como la reducción adecuada del grosor de la barrera y las capas del canal superior. Especialmente, se pueden observar características de doble joroba de las curvas de transconductancia de los HEMT de doble canal de AlGaN y de doble canal de GaN. Para los HEMT de doble canal AlGaN, se pueden extraer dos valores pico de 97,9 y 42,5 mS / mm a V _G =- 1.0 y - 6.0 V. El valor de subpico alcanza el 43% de G _{m, max} , lo que indica la capacidad de control de puerta decente y la linealidad de los HEMT de doble canal AlGaN. Además, en base a nuestro logro de investigación anterior [21], los resultados pueden mejorarse aún más modulando los parámetros de la estructura, como el grosor y la composición de los canales dobles de AlGaN, y el efecto de acoplamiento entre los canales dobles y la linealidad del dispositivo puede ser mejorado.

Características de transferencia de los HEMT de canal doble AlGaN, canal único AlGaN y canal doble GaN

Las características de avería fuera de estado de los HEMT basados ​​en diferentes heteroestructuras se miden y se muestran en la Fig. 7. La V _b se define por el criterio de corriente de fuga que alcanza los 5 μA / mm. Se puede observar que las tres muestras presentan características de ruptura dura, y el rendimiento de ruptura de los HEMT del canal AlGaN es obviamente mejor que el de los HEMT del canal GaN. La V _b de los HEMT de doble canal de AlGaN es de 143,5 V, más de dos veces mayor que la de los HEMT de doble canal de GaN. Tomando el L _GD =1 μm en consideración, la V _{b, estándar} (definido por V _b / L _GD ) es tan alto como 143,5 V / μm para los HEMT de doble canal AlGaN. El yo _máx y V _{b, estándar} Los resultados de los HEMT de doble canal de AlGaN en este trabajo se comparan con los HEMT de canal de GaN y de canal de AlGaN informados por otros grupos en la Fig.8, y se distinguen los resultados de los dispositivos de modo de agotamiento (DM) y de modo de mejora (EM). Además, los índices centrales de los HEMT del canal AlGaN (heteroestructuras) en informes anteriores y este trabajo se resumen en la Tabla 1. Como se muestra en la Fig. 8, es obvio que el rendimiento de ruptura de los HEMT del canal AlGaN es generalmente mejor que el de GaN canal HEMT, acompañando con el deterioro en I _máx . Notablemente, el I _máx del doble canal AlGaN en este trabajo es comparable a la mayoría de los resultados de los HEMT del canal GaN. Además, es necesario tener en cuenta que el I _máx El valor en este trabajo se obtiene en V _GS =0 V, que es conservador y se puede mejorar aún más mediante la aplicación de voltaje de puerta positivo. Por lo tanto, estos resultados demuestran de manera convincente el enorme potencial de los HEMT de doble canal AlGaN en aplicaciones de dispositivos de potencia de microondas.

Características de avería de los HEMT de canal doble AlGaN, canal único AlGaN y canal doble GaN

Punto de referencia de I _máx y V _{b, estándar} para HEMT de canal AlGaN y canal GaN

Conclusiones

En resumen, se propone la heteroestructura de doble canal de AlGaN para fabricar HEMT de alto rendimiento. Se revelan las propiedades de transporte superiores de la heteroestructura de doble canal de AlGaN, lo que conduce a la capacidad mejorada de transmisión de corriente de los HEMT. Además, se demuestra el excelente rendimiento de avería de los HEMT de doble canal AlGaN. Los resultados de este trabajo muestran el gran potencial de los dispositivos de doble canal AlGaN en aplicaciones de energía de microondas en el futuro.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria.

Abreviaturas

MOCVD:

Deposición de vapor químico orgánico metálico

HEMT:

Transistores de alta movilidad de electrones

2DEG:

Gas de electrones bidimensionales

I _máx :

Densidad máxima de corriente de drenaje

V _b :

Voltaje de ruptura

V _T :

Voltaje umbral

RF:

Radiofrecuencia

HRXRD:

Difracción de rayos X de alta resolución

C-V:

Capacitancia-voltaje

L _G :

Longitud de la puerta

L _GS :

Distancia puerta-fuente

L _GD :

Distancia puerta-drenaje

R _en :

On-resistencia

G _m :

Transconductancia

DM:

Modo de agotamiento

EM:

Modo de mejora

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