Modulação do Comprimento de Via Desbloqueia HEMTs GaN Normalmente Desligados com Canais de 300 nm

Resumo

Relatamos um avanço em transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMTs) AlGaN/GaN normalmente desligados (enhancement-mode) controlando o comprimento de via em arquitetura multi-mesa-canal (MMC). Dispositivos modo-de-reforço (E-mode) com larguras de canal até 300 nm foram fabricados, demonstrando tensões de limiar positivas de +0.79 V (100 nm / 2 µm) e +0.46 V (300 nm / 6 µm). Estes dispositivos exibem resistências ôhmicas inferiores a HEMTs nanofita tri-gate convencionais enquanto mantêm alta corrente de dreno e estabilidade térmica melhorada. O comprimento de via governa ancoragem de superfície e depleção lateral, permitindo eletrônica de potência GaN normalmente desligada escalável.

Introdução

Nitreto III-V de larga banda oferecem desempenho incomparável para aplicações de alta frequência e alta tensão devido às suas grandes bandas proibidas, campos críticos altos e altas velocidades de saturação de elétrons. Heteroestruturas AlGaN/GaN formam canais 2DEG que sustentam transistores de alto desempenho, ainda seu comportamento intrínseco de modo-de-depleção (D-mode) necessita circuitos complexos para aplicações digitais, RF e de potência. Estratégias convencionais para induzir operação normalmente desligada — gates recuados, capping tipo-p, junções de túnel, implantação iônica ou recozimento térmico rápido — frequentemente degradam rendimento do dispositivo ou introduzem problemas de confiabilidade.

Estruturas nano-fin recentes mostraram que reduzir largura do canal abaixo de ~100 nm desloca tensão de limiar (Vth) positivamente, devido a ancoragem de superfície de parede lateral e relaxamento de tensão. No entanto, alcançar baixa resistência ôhmica (Ron) com canais sub-100 nm permanece desafiador, pois escalonamento de largura de gate impacta adversamente vazamento e transcondutância. Nosso trabalho aborda isso integrando estrutura MMC tri-gate com comprimentos de via ajustáveis para simultaneamente alcançar operação E-mode, baixo Ron e desempenho térmico robusto.

Métodos

A epicanada AlGaN/GaN foi crescida em safira c-plano por MOCVD (Nippon Sanso SR-2000). Camada de nucleação GaN a 600 °C foi seguida por buffer GaN não intencionalmente dopado de 2 µm, barreira AlGaN não intencionalmente dopado de 21.8 nm (23% Al), e capa GaN de 2 nm, todos depositados a 1180 °C. Isolamento de mesa e gravação de trincheira periódica foram realizados por ICP-RIE (BCl3/Cl2). Restauração cristalográfica pós-gravação usou KOH fundido para suavização de parede lateral, e solução piranha removeu orgânicos. Fotolitografia definiu fonte, dreno, gate e pads de contato. Contatos ôhmicos (Ti/Al/Ni/Au 30/120/20/80 nm) foram recozidos a 850 °C por 30 s sob vácuo; eletrodos de gate foram Ni/Au 20/80 nm. Dimensões do dispositivo: comprimento de gate 2 µm, largura MMC 100–500 nm, comprimento de via 1–6 µm, altura 130 nm. Nenhuma passivação foi aplicada ao comprimento de via para preservar efeitos de ancoragem de superfície.

Resultados e Discussão

A maioria dos HEMTs GaN permanecem D-mode devido ao 2DEG inerente. Alcançar operação normalmente desligada demanda controle preciso de depleção de superfície e controle de gate. Ligações pendentes de parede lateral (~10^15 cm⁻²) produzem campo de ancoragem de superfície que depleta o canal lateralmente. Em nosso MMC tri-gate, o comprimento de via dita a extensão desta depleção.

A Figura 3a mostra depleção lateral ao redor das paredes laterais. Características de transferência (Figura 3b) para LMMC = 2 µm e WMMC = 100, 300, 500 nm revelam Vth de +0.79, -1.32 e -2.18 V a VDS = 8 V, confirmando deslocamento positivo com largura reduzida. O efeito surge de depleção lateral combinada e curvatura de superfície de comprimento de via.

Variando LMMC em WMMC fixo = 300 nm (Figura 4), obtivemos Vth de -2.12, -1.07 e +0.46 V para LMMC = 1, 2 e 6 µm, respectivamente. O dispositivo LMMC 6 µm alcança operação E-mode. Tabela 1 resume dependência de Vth, IDSsat e gm em ambos WMMC e LMMC. Notavelmente, aumentar LMMC de 0.8 a 6 µm desloca Vth de negativo para positivo enquanto reduz IDSsat e gm — um trade-off esperado aceitável para aplicações de potência onde baixo Ron é crítico.

Comparado com arte anterior, nossos dispositivos E-mode exibem Ron marcadamente menor enquanto mantêm corrente de dreno e transcondutância aceitáveis, graças à ancoragem de superfície projetada e geometria tri-gate. Medidas térmicas confirmam aquecimento Joule reduzido devido a fluxo de corrente distribuído.

Conclusões

Demonstramos que modulação de comprimento de via em HEMT GaN multi-mesa-canal permite operação normalmente desligada com larguras de canal até 300 nm. Dispositivos com WMMC = 300 nm e LMMC = 6 µm entregam Vth = +0.46 V, baixo Ron e manuseio de potência melhorado, pavimentando caminho para eletrônica de potência GaN de próxima geração.