Modulación de Longitud de Vía Desbloquea HEMTs GaN Normally-Off con Canales de 300 nm

Resumen

Reportamos un avance en transistores de alta movilidad de electrones (HEMTs) AlGaN/GaN normally-off por control de longitud de vía en arquitectura multi-mesa-canal (MMC). Dispositivos de modo de realce (E-mode) con anchos de canal hasta 300 nm se fabricaron, demostrando voltajes de umbral positivos de +0.79 V (100 nm / 2 µm) y +0.46 V (300 nm / 6 µm). Estos dispositivos exhiben resistencias en estado encendido menores que HEMTs tri-gate nanocinta convencionales manteniendo alta corriente de drenaje y estabilidad térmica mejorada. La longitud de vía gobierna el anclaje superficial y depleción lateral, permitiendo electrónica de potencia GaN normally-off escalable.

Introducción

Los nitruros III-V de banda ancha ofrecen rendimiento inigualable para aplicaciones de alta frecuencia y alto voltaje debido a sus grandes bandas prohibidas, campos críticos altos y altas velocidades de saturación de electrones. Heteroestructuras AlGaN/GaN forman canales 2DEG que sustentan transistores de alto rendimiento, sin embargo, su comportamiento intrínseco de modo de depleción (D-mode) requiere circuitos complejos para aplicaciones digitales, RF y de potencia. Estrategias convencionales para inducir operación normally-off —puertas recesadas, tapado tipo-p, uniones túnel, implantación iónica, o recocido térmico rápido— a menudo degradan rendimiento del dispositivo o introducen problemas de fiabilidad.

Estructuras nanofin recientes han mostrado que reducir ancho de canal por debajo de ~100 nm desplaza el voltaje de umbral (Vth) positivamente, debido a anclaje superficial de paredes laterales y relajación de tensión. Sin embargo, lograr baja resistencia en estado encendido (Ron) con canales sub-100 nm sigue siendo desafiante, ya que el escalado de ancho de puerta impacta adversamente fuga y transconductancia. Nuestro trabajo aborda esto integrando una estructura MMC tri-gate con longitudes de vía ajustables para lograr simultáneamente operación E-mode, baja Ron y rendimiento térmico robusto.

Métodos

La epicala AlGaN/GaN se creció en zafiro plano-c por MOCVD (Nippon Sanso SR-2000). Una capa de nucleación GaN a 600 °C fue seguida por buffer GaN no intencionalmente dopado de 2 µm, barrera AlGaN no intencionalmente dopado de 21.8 nm (23% Al), y capa GaN de 2 nm, todas depositadas a 1180 °C. Aislamiento de mesa y grabado de trincheras periódico se realizaron por ICP-RIE (BCl₃/Cl₂). Restauración cristalográfica post-grabado usó KOH fundido para suavizado de paredes laterales, y solución piraña eliminó orgánicos. Fotolitografía definió fuente, drenaje, puerta y pads de contacto. Contactos óhmicos (Ti/Al/Ni/Au 30/120/20/80 nm) se recocieron a 850 °C por 30 s bajo vacío; electrodos de puerta fueron Ni/Au 20/80 nm. Dimensiones de dispositivo: longitud de puerta 2 µm, ancho MMC 100–500 nm, longitud de vía 1–6 µm, altura 130 nm. No se aplicó pasivación a la longitud de vía para preservar efectos de anclaje superficial.

Resultados y Discusión

La mayoría de HEMTs GaN permanecen D-mode debido al 2DEG inherente. Lograr operación normally-off demanda control preciso de depleción superficial y control de puerta. Los enlaces colgantes de paredes laterales (~10¹⁵ cm⁻²) producen campo de anclaje superficial que depleta el canal lateralmente. En nuestro MMC tri-gate, la longitud de vía dicta la extensión de esta depleción.

La figura 3a muestra la depleción lateral alrededor de paredes laterales. Características de transferencia (Figura 3b) para LMMC = 2 µm y WMMC = 100, 300, 500 nm revelan Vth de +0.79, -1.32, y -2.18 V a VDS = 8 V, confirmando desplazamiento positivo con ancho reducido. El efecto surge de depleción lateral combinada y curvatura superficial de longitud de vía.

Variando LMMC a WMMC fijo = 300 nm (Figura 4), obtuvimos Vth de -2.12, -1.07, y +0.46 V para LMMC = 1, 2, y 6 µm, respectivamente. El dispositivo LMMC 6 µm logra operación E-mode. La Tabla 1 resume la dependencia de Vth, IDSsat, y gm en tanto WMMC como LMMC. Notablemente, aumentar LMMC de 0.8 a 6 µm desplaza Vth de negativo a positivo mientras reduce IDSsat y gm —un trade-off esperado aceptable para aplicaciones de potencia donde Ron baja es crítica.

Comparado con arte previo, nuestros dispositivos E-mode exhiben Ron marcadamente menor manteniendo corriente de drenaje y transconductancia aceptables, gracias al anclaje superficial ingenierado y geometría tri-gate. Mediciones térmicas confirman calentamiento Joule reducido debido a flujo de corriente distribuido.

Conclusiones

Hemos demostrado que modulación de longitud de vía en HEMT GaN multi-mesa-canal permite operación normally-off con anchos de canal hasta 300 nm. Dispositivos con WMMC = 300 nm y LMMC = 6 µm entregan Vth = +0.46 V, baja Ron, y manejo de potencia mejorado, allanando camino para electrónica de potencia GaN de próxima generación.