HEMTs AlGaN de Doble Canal: Mayor Densidad de Corriente de Drenaje y Voltaje de Ruptura Superior

Resumen

En este trabajo, se propone y crece una heteroestructura AlGaN de doble canal por deposición química de vapor orgánica metálica (MOCVD), y se fabrican e investigan transistores de alta movilidad de electrones (HEMTs) AlGaN de doble canal de alto rendimiento. La implementación de la característica de doble canal mejora eficazmente las propiedades de transporte de heteroestructuras de canal AlGaN. Por un lado, la densidad total de gas de electrones bidimensional (2DEG) se promueve debido a los pozos de potencial dobles a lo largo de la dirección vertical y el confinamiento de portadores mejorado. Por otro lado, la densidad promedio de 2DEG en cada canal se reduce, y la movilidad se eleva resultante de la supresión del efecto de dispersión portador-portador. Como resultado, la densidad máxima de corriente de drenaje (I_max) de los HEMTs AlGaN de doble canal alcanza 473 mA/mm con voltaje de compuerta de 0 V. Además, se demuestra el rendimiento de ruptura superior de los HEMTs AlGaN de doble canal. Estos resultados no solo muestran el gran potencial de aplicación de los HEMTs AlGaN de doble canal en electrónica de potencia de microondas, sino que también desarrollan un nuevo pensamiento para los estudios de dispositivos electrónicos basados en nitruros del grupo III.

Introducción

Los transistores de alta movilidad de electrones (HEMTs) basados en nitruros del grupo III han sido identificados como los candidatos más prometedores para la electrónica de potencia de microondas de próxima generación debido a su velocidad de conmutación rápida y pérdida de conmutación baja. Recientemente, los HEMTs de nitruro más avanzados han logrado comercialización inicial hasta 650 V. Sin embargo, con la madurez de la tecnología de fabricación de dispositivos, se ha vuelto cada vez más difícil escalarさらに los voltajes de ruptura (V_b) y mejorar la fiabilidad del dispositivo a altas temperaturas. Por lo tanto, en vista de la mayor banda prohibida y superior estabilidad térmica de AlGaN sobre GaN, los dispositivos de canal AlGaN se han propuesto como candidatos prometedores paraさらに mejorar los límites de rendimiento de los HEMTs de nitruro en aplicaciones de alto voltaje y alta temperatura.

Nanjo et al. demostraron la notable mejora del voltaje de ruptura de HEMTs de canal AlGaN, y los voltajes de ruptura máximos obtenidos fueron 1650 V en HEMTs Al₀.₅₃Ga₀.₄₇N/Al₀.₃₈Ga₀.₆₂N con distancias compuerta-drenaje de 10 μm. Posteriormente, Nanjo et al.さらに promovieron el voltaje de ruptura de los HEMTs Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N/Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N a 1700 V. Zhang et al. fabricaron HEMTs de canal AlGaN con un contacto de drenaje híbrido óhmico/Schottky novedoso, y se obtuvo un voltaje de ruptura récord de más de 2200 V para los HEMTs de canal AlGaN. Xiao et al. propusieron heteroestructuras de canal AlGaN con alta movilidad 2DEG de 807 cm²/V·s, y se reportaron récords de corriente de drenaje máxima y relación I_on/I_off para los HEMTs de canal AlGaN fabricados. Posteriormente, Xiao et al. propusieron por primera vez HEMTs normalmente apagados con capa de canal AlGaN de superred, y los dispositivos fabricados mostraron un voltaje de ruptura superior a 2000 V, una alta densidad de corriente de encendido de 768 mA/mm y un voltaje umbral (V_T) de 1.0 V. Recientemente, Baca et al. evaluaron el rendimiento de radiofrecuencia (RF) de HEMTs de canal AlGaN con compuerta larga de 80 nm. Se determinaron f_T de 28.4 GHz y f_MAX de 18.5 GHz a partir de mediciones de parámetros S de señal pequeña. Estos resultados ilustran la promesa de los HEMTs de canal AlGaN para aplicaciones de potencia RF.

Sin embargo, las limitaciones de los dispositivos de canal AlGaN reportados previamente son igualmente obvias. Por un lado, debido al efecto de dispersión de aleación ternaria desordenada, la movilidad de gas de electrones bidimensional (2DEG) en canal AlGaN es mucho menor que en canal GaN. Como resultado, la capacidad de impulso de corriente de dispositivos de canal AlGaN es mucho menor que la de dispositivos de canal GaN tradicionales. Por otro lado, para inducir la misma cantidad de 2DEG en canal AlGaN, el componente AlN en la capa de barrera AlGaN debe ser mayor que el de heteroestructuras de canal GaN convencionales, lo que aumentará las dificultades en el proceso de crecimiento de material. Estas contradicciones inhiben seriamente la aplicación generalizada de dispositivos de canal AlGaN, y las optimizaciones del diseño de heteroestructura son urgentemente necesarias.

La técnica de doble canal es un enfoque intrigante para promover la densidad de portadores de canal de heteroestructuras basadas en nitruro sin ningún impacto adverso en la movilidad de electrones, y la capacidad de conducción de corriente de los dispositivos mejorará. Sin embargo, ha habido pocos informes sobre heteroestructuras de doble canal AlGaN o dispositivos electrónicos hasta ahora. En este trabajo, por primera vez, se propone y crece una heteroestructura de doble canal AlGaN para resolver las contradicciones entre la capacidad de impulso de corriente y el rendimiento de ruptura de dispositivos electrónicos basados en nitruro. Además, se fabrican e investigan en detalle HEMTs AlGaN de doble canal de alto rendimiento basados en la nova heteroestructura.

Métodos

El esquema transversal de la heteroestructura AlGaN de doble canal se muestra en Fig. 1a, y los procesos de crecimiento se pueden resumir como sigue. Primero, se creció una capa de búfer de GaN de 1600 nm sobre sustrato de zafiro. Luego, se creció una capa de búfer AlGaN graduada de 500 nm con composición AlN aumentando de 0 a 10%, lo que fue beneficioso para suprimir la formación de canal parásito. Posteriormente, se crecieron sucesivamente 100 nm de canal AlGaN inferior, 1 nm de intercapa AlN y 23 nm de barrera AlGaN inferior, y las composiciones AlN en las capas de canal y barrera son 10% y 31%, respectivamente. Finalmente, se crecieron 30 nm de canal AlGaN superior, 1 nm de intercapa AlN y 23 nm de capas de barrera AlGaN superior, para las cuales las composiciones eran las mismas que las capas inferiores. El diagrama de banda de conducción de la heteroestructura AlGaN de doble canal puede calcularse resolviendo self-consistentemente la ecuación de Poisson-Schrödinger unidimensional, que emplea el método de diferencias finitas con tamaño de malla no uniforme. El diagrama de banda de conducción y la distribución de densidad de electrones extraída de la heteroestructura AlGaN de doble canal se ilustran en Fig. 2a, y los resultados de la heteroestructura AlGaN de canal único también se proporcionan en Fig. 2b para comparación. Se forman dos pozos de potencial profundos en la interfaz de las intercapas AlN y capas de canal Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N para la heteroestructura AlGaN de doble canal, correspondientes a los canales 2DEG dobles. Además, se puede observar que la densidad 2DEG en el canal superior es mayor que en el canal inferior, lo que puede explicarse desde dos aspectos. Por un lado, la barrera AlGaN inferior actúa como barrera trasera del canal superior, lo que es beneficioso para promover el confinamiento 2DEG del canal superior. Por otro lado, la principal fuente de suministro del 2DEG de canal en heteroestructuras de nitruro son los estados de superficie tipo donador, que están más cerca del canal superior.

Vista transversal (no a escala) de a AlGaN de doble canal, b AlGaN de canal único, y c heteroestructuras GaN de doble canal (HEMTs).

Diagramas de banda de conducción y distribuciones de densidad de electrones de heteroestructuras AlGaN de doble canal y canal único.

Resultados y Discusión

La Figura 3 muestra el resultado de barrido ω-2θ de difracción de rayos X de alta resolución (HRXRD) de la heteroestructura AlGaN de doble canal desde reflexión simétrica (0004). Se puede observar la intensidad de difracción de la capa de nucleación AlN, búfer GaN, búfer AlGaN graduado, canal AlGaN y capas de barrera AlGaN. Además, el barrido espectral de 71.0 a 73.2° se presenta en Fig. 2b con una ampliación para claridad, y se aplica la función de Lorentz para ajustar los multi-picos. Los picos de difracción de búfer GaN, canal AlGaN y barrera AlGaN se ubican en 71.6°, 72.2° y 72.8°, y el búfer AlGaN graduado resulta en una plataforma entre los picos de búfer GaN y canal AlGaN. Estos resultados indican la estructura multi-capa distinta y el control sofisticado del proceso de crecimiento, y las composiciones AlN de 10% y 31% en el canal AlGaN y barrera pueden extraerse.

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

La medición de capacitancia-voltaje (C-V) con configuración de sonda de mercurio se realizó para investigar las características de doble canal de la heteroestructura. Como se muestra en el recuadro de Fig. 4, se pueden observar dos escalones de capacitancia distintos alrededor de -2.5 V y -10 V con el voltaje aplicado barrido de 0 a -15 V, correspondientes a la depleción de 2DEG en interfaces AlN/Al₀.₁₀Ga₀.₉₀. Además, las propiedades de distribución de portadores pueden extraerse de la curva C-V y el resultado se ilustra en Fig. 4. Dos picos de concentración de portadores se ubican en 24 y 78 nm con valores de 6.1 × 10¹⁹ y 2.5 × 10¹⁹ cm⁻³, lo que está de acuerdo con el resultado calculado como se muestra en Fig. 2. Especialmente, no se puede observar canal de conducción parásito hasta que la profundidad de prueba alcanza 1 μm, sugiriendo el logro exitoso de propiedades de doble canal de la heteroestructura. Además, la densidad de lámina 2DEG y la movilidad se determinaron en 1.3 × 10¹³ cm⁻² y 1130 cm²/V·s mediante medición de efecto Hall.

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

El proceso de fabricación estándar de HEMTs se llevó a cabo en la heteroestructura AlGaN de doble canal. El proceso de fabricación del dispositivo comenzó con contacto óhmico formado con pila de metal multicapa Ti/Al/Ni/Au depositada por evaporación de haz de electrones, seguida por un recocido térmico rápido a 850 °C durante 30 s en atmósfera de N₂. Luego, el aislamiento de mesa se realizó por grabado de plasma acoplado inductivamente Cl₂/BCl₃ a una profundidad de 200 nm, y se formó una capa de pasivación de SiN de 100 nm de espesor por deposición química de vapor mejorada por plasma. Posteriormente, un área de compuerta con una longitud (L_G) de 0.8 μm se definió por fotolitografía tras grabar el SiN superior con plasma CF₄, y luego se depositó un electrodo de compuerta Schottky Ni/Au. Las distancias compuerta-fuente (L_GS) y compuerta-drenaje (L_GD) son 0.8 y 1 μm, respectivamente. Para fines de comparación, se fabricaron también dos muestras adicionales de HEMTs basadas en heteroestructuras convencionales AlGaN de canal único y GaN de doble canal, y los esquemas transversales se muestran en Fig. 1b y c. El proceso de dispositivo y parámetros característicos de las muestras adicionales de HEMTs son exactamente los mismos que los HEMTs AlGaN de doble canal. Las propiedades de salida y transferencia de los dispositivos se realizaron con analizador de parámetros semiconductores Keithley 4200, y las características de ruptura se realizaron usando el sistema analizador semiconductor de alto voltaje Agilent B1505A.

Las características de salida típicas de los HEMTs se ilustran en Fig. 5, para las cuales V_GS y V_DS fueron barridos de 0~ -10 V y 0~10 V. La densidad máxima de corriente de drenaje (I_max) y resistencia diferencial de encendido (R_on) de la muestra AlGaN de canal único son 265.3 mA/mm y 27.1 Ω·mm, respectivamente. Estos resultados están de acuerdo con reportes previos, sugiriendo la deficiencia de HEMTs de canal AlGaN en capacidad de impulso de corriente. Para los HEMTs AlGaN de doble canal, I_max aumenta dramáticamente a 473 mA/mm, que es 1.8 veces mayor que la de HEMTs AlGaN de canal único. Atribuimos la mejora en I_max a las propiedades de transporte superiores de la heteroestructura AlGaN de doble canal. Por un lado, la estructura de doble canal posee dos pozos de potencial a lo largo de la dirección vertical, y la capacidad de almacenamiento de portadores del canal de conducción AlGaN se promueve. Por otro lado, aunque la densidad total de portadores de canal aumenta, la densidad promedio de electrones en cada canal se reduce. Como resultado, el efecto de dispersión portador-portador se suprime y la movilidad de electrones de canal se eleva. Sin embargo, se puede observar que el R_on de HEMTs AlGaN de doble canal es 12.5 Ω·mm, aún mayor que el de HEMTs GaN de doble canal. Este fenómeno está relacionado con la gran altura de barrera de contacto de las capas de barrera AlGaN, para las cuales la composición AlN es tan alta como 31%. Debido al efecto de auto-calentamiento resultante de la alta disipación de potencia, el efecto de resistencia diferencial negativa puede observarse para los HEMTs GaN de doble canal cuando V_GS > -4 V y V_DS > 6 V. No obstante, para los HEMTs de canal AlGaN (tanto de canal único como de doble canal), este efecto de resistencia diferencial negativa se suprime significativamente, manifestando el rendimiento superior de los HEMTs de canal AlGaN en condiciones de temperatura elevada.

Características de salida de HEMTs AlGaN de doble canal, AlGaN de canal único y GaN de doble canal.

La Figura 6 ilustra las propiedades de transferencia típicas de los HEMTs con V_DS de 10 V. Los HEMTs AlGaN de canal único exhiben un voltaje umbral (V_T) de -3.8 V, junto con una transconductancia extrínseca máxima (G_m,max) inferior de 80.5 mS/mm en las cercanías de V_GS = -1.5 V. Para los HEMTs AlGaN de doble canal y GaN de doble canal, el V_T disminuye notablemente a -9.2 y -11.2 V, lo que resulta de la alta densidad de portadores de canal y la distancia relativamente larga desde el electrodo de compuerta al canal 2DEG inferior. El alto V_T puede resultar en alta pérdida de potencia de los dispositivos en estado apagado, y este problema puede mejorarse optimizandoさらに los parámetros de crecimiento de estructuras de doble canal, como reducir adecuadamente el espesor de las capas de barrera y canal superior. Especialmente, se pueden observar características de doble joroba en las curvas de transconductancia de HEMTs AlGaN de doble canal y GaN de doble canal. Para los HEMTs AlGaN de doble canal, se pueden extraer dos valores máximos de 97.9 y 42.5 mS/mm en V_G = -1.0 y -6.0 V. El valor del sub-pico alcanza el 43% del G_m,max, indicando la decente capacidad de control de compuerta y linealidad de los HEMTs AlGaN de doble canal. Además, basándonos en nuestro logro de investigación previo, los resultados pueden mejorarseさらに modulando los parámetros de estructura, como el espesor y composición de los canales dobles AlGaN, y el efecto de acoplamiento entre los canales dobles y la linealidad del dispositivo pueden mejorarse.

Características de transferencia de HEMTs AlGaN de doble canal, AlGaN de canal único y GaN de doble canal.

Las características de ruptura en estado apagado de los HEMTs basados en diferentes heteroestructuras se miden y muestran en Fig. 7. El V_b se define por el criterio de corriente de fuga alcanzando 5 μA/mm. Se puede observar que las tres muestras presentan características de ruptura dura, y el rendimiento de ruptura de los HEMTs de canal AlGaN es obviamente mejor que el de los HEMTs de canal GaN. El V_b de los HEMTs AlGaN de doble canal es 143.5 V, más de dos veces mayor que el de los HEMTs GaN de doble canal. Tomando en cuenta L_GD = 1 μm, el V_b,standard (definido por V_b/L_GD) es tan alto como 143.5 V/μm para los HEMTs AlGaN de doble canal. Los resultados de I_max y V_b,standard de los HEMTs AlGaN de doble canal en este trabajo se comparan con los HEMTs de canal GaN y AlGaN reportados por otros grupos en Fig. 8, y los resultados de dispositivos de modo de depleción (DM) y modo de realce (EM) se distinguen. Además, los índices centrales de los HEMTs de canal AlGaN (heteroestructuras) en reportes previos y este trabajo se resumen en Tabla 1. Como se muestra en Fig. 8, es obvio que el rendimiento de ruptura de los HEMTs de canal AlGaN es generalmente mejor que el de los HEMTs de canal GaN, acompañando con el deterioro en I_max. Notablemente, el I_max del AlGaN de doble canal en este trabajo es comparable a la mayoría de resultados de HEMTs de canal GaN. Además, es necesario notar que el valor I_max en este trabajo se obtiene a V_GS = 0 V, que es conservador y puede mejorarseさらに aplicando voltaje de compuerta positivo. Por lo tanto, estos resultados demuestran convincentemente el enorme potencial de los HEMTs AlGaN de doble canal en aplicaciones de dispositivos de potencia de microondas.

Características de ruptura de HEMTs AlGaN de doble canal, AlGaN de canal único y GaN de doble canal.

Referencia de I_max y V_b,standard para HEMTs de canal AlGaN y GaN.

Conclusiones

En resumen, se propone una heteroestructura AlGaN de doble canal para fabricar HEMTs de alto rendimiento. Se revelan las propiedades de transporte superiores de la heteroestructura AlGaN de doble canal, llevando a la capacidad de impulso de corriente mejorada de los HEMTs. Además, se demuestra el excelente rendimiento de ruptura de los HEMTs AlGaN de doble canal. Los resultados en este trabajo muestran el gran potencial de los dispositivos AlGaN de doble canal en aplicaciones de potencia de microondas en el futuro.