HEMTs AlGaN de Duplo Canal Entregam Maior Densidade de Corrente de Dreno e Tensão de Ruptura Superior

Resumo

Neste trabalho, uma heteroestrutura AlGaN de duplo canal é proposta e crescida por deposição química de vapor orgânica metálica (MOCVD), e transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMTs) AlGaN de duplo canal de alto desempenho são fabricados e investigados. A implementação da característica de duplo canal melhora efetivamente as propriedades de transporte de heteroestruturas de canal AlGaN. Por um lado, a densidade total de gás eletrônico bidimensional (2DEG) é promovida devido aos poços de potencial duplos na direção vertical e ao confinamento de portadores aprimorado. Por outro lado, a densidade média de 2DEG em cada canal é reduzida, e a mobilidade é elevada resultante da supressão do efeito de espalhamento portador-portador. Como resultado, a densidade máxima de corrente de dreno (I_max) dos HEMTs AlGaN de duplo canal atinge 473 mA/mm com tensão de porta de 0 V. Além disso, o desempenho superior de ruptura dos HEMTs AlGaN de duplo canal também é demonstrado. Estes resultados não apenas mostram o grande potencial de aplicação dos HEMTs AlGaN de duplo canal em eletrônica de potência de micro-ondas, mas também desenvolvem novo pensamento para estudos de dispositivos eletrônicos baseados em nitretos do grupo III.

Introdução

Transistores de alta mobilidade de elétrons (HEMTs) baseados em nitretos do grupo III têm sido identificados como o candidato mais promissor para eletrônica de potência de micro-ondas de próxima geração devido à sua velocidade de comutação rápida e baixa perda de comutação. Recentemente, os HEMTs de nitreto mais avançados alcançaram comercialização inicial até 650 V. No entanto, com a maturidade da tecnologia de fabricação de dispositivos, tornou-se cada vez mais difícil further escalar as tensões de ruptura (V_b) e melhorar a confiabilidade do dispositivo em altas temperaturas. Portanto, em vista da maior banda proibida e estabilidade térmica superior do AlGaN sobre GaN, dispositivos de canal AlGaN têm sido propostos como candidatos promissores para further melhorar os limites de desempenho de HEMTs de nitreto em aplicações de alta tensão e alta temperatura.

Nanjo et al. demonstraram o aumento notável da tensão de ruptura de HEMTs de canal AlGaN, e as tensões de ruptura máximas obtidas foram 1650 V nos HEMTs Al₀.₅₃Ga₀.₄₇N/Al₀.₃₈Ga₀.₆₂N com distâncias porta-dreno de 10 μm. Posteriormente, Nanjo et al. further promoveram a tensão de ruptura dos HEMTs Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N/Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N para 1700 V. Zhang et al. fabricaram HEMTs de canal AlGaN com um novo contato de dreno híbrido ôhmico/Schottky, e uma tensão de ruptura recorde de mais de 2200 V foi obtida para HEMTs de canal AlGaN. Xiao et al. propuseram heteroestruturas de canal AlGaN com alta mobilidade de 2DEG de 807 cm²/V·s, e recordes de corrente de dreno máxima e razão I_on/I_off foram relatados para HEMTs de canal AlGaN fabricados. Em seguida, Xiao et al. propuseram HEMTs normalmente desligados com camada de canal AlGaN de superrede pela primeira vez, e os dispositivos fabricados mostraram tensão de ruptura acima de 2000 V, alta densidade de corrente ligada de 768 mA/mm e tensão de limiar (V_T) de 1,0 V. Recentemente, Baca et al. avaliaram o desempenho de radiofrequência (RF) de HEMTs de canal AlGaN com porta de 80 nm de comprimento. f_T de 28,4 GHz e f_MAX de 18,5 GHz foram determinados a partir de medições de parâmetros S de pequeno sinal. Estes resultados ilustram a promessa de HEMTs de canal AlGaN para aplicações de potência RF.

No entanto, as limitações dos dispositivos de canal AlGaN previamente relatados são igualmente óbvias. Por um lado, devido ao efeito de espalhamento de liga ternária desordenada, a mobilidade de 2DEG em canal AlGaN é muito menor que a em canal GaN. Como resultado, a capacidade de condução de corrente de dispositivos de canal AlGaN é muito menor que a de dispositivos de canal GaN tradicionais. Por outro lado, para induzir a mesma quantidade de 2DEG em canal AlGaN, o componente AlN na camada de barreira AlGaN deve ser maior que o de heteroestruturas de canal GaN convencionais, o que aumentará as dificuldades no processo de crescimento do material. Estas contradições inibem seriamente a aplicação generalizada de dispositivos de canal AlGaN, e otimizações do layout da heteroestrutura são urgentemente necessárias.

A técnica de duplo canal é uma abordagem intrigante para promover a densidade de portadores do canal de heteroestruturas baseadas em nitreto sem impacto adverso na mobilidade de elétrons, e a capacidade de condução de corrente dos dispositivos será melhorada. No entanto, houve poucos relatórios sobre heteroestruturas de duplo canal AlGaN ou dispositivos eletrônicos até agora. Neste trabalho, pela primeira vez, heteroestrutura de duplo canal AlGaN é proposta e crescida para resolver as contradições entre a capacidade de condução de corrente e o desempenho de ruptura de dispositivo eletrônico baseado em nitreto. Further, HEMTs AlGaN de duplo canal de alto desempenho baseados na nova heteroestrutura são fabricados e investigados em detalhes.

Métodos

O esquema transversal da heteroestrutura AlGaN de duplo canal é mostrado na Fig. 1a, e os processos de crescimento podem ser resumidos como segue. Primeiro, camada de buffer de GaN de 1600 nm foi crescida no substrato de safira. Então, camada de buffer graduada AlGaN de 500 nm com composição AlN aumentando de 0 a 10% foi crescida, o que foi benéfico para suprimir a formação de canal parasita. Em seguida, canal AlGaN inferior de 100 nm, intercamada AlN de 1 nm e barreira AlGaN inferior de 23 nm foram crescidos sucessivamente, e as composições AlN no canal e camadas de barreira são 10% e 31%, respectivamente. Finalmente, canal AlGaN superior de 30 nm, intercamada AlN de 1 nm e camadas de barreira AlGaN superior de 23 nm foram crescidas, para as quais as composições eram as mesmas das camadas inferiores. O diagrama de banda de condução da heteroestrutura AlGaN de duplo canal pode ser calculado resolvendo self-consistentemente a equação unidimensional de Poisson-Schrödinger, que emprega o método de diferenças finitas com tamanho de malha não uniforme. O diagrama de banda de condução e a distribuição de densidade eletrônica extraída da heteroestrutura AlGaN de duplo canal são ilustrados na Fig. 2a, e os resultados da heteroestrutura AlGaN de canal único também são fornecidos na Fig. 2b para comparação. Dois poços de potencial profundos são formados na interface das intercamadas AlN e camadas de canal Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N para a heteroestrutura AlGaN de duplo canal, correspondendo aos canais 2DEG duplos. Além disso, pode-se observar que a densidade de 2DEG no canal superior é maior que a no canal inferior, o que pode ser explicado de dois aspectos. Por um lado, a barreira AlGaN inferior atua como barreira traseira do canal superior, o que é benéfico para promover o confinamento de 2DEG do canal superior. Por outro lado, a principal fonte de suprimento do 2DEG do canal em heteroestruturas de nitreto são estados de superfície do tipo doador, que estão mais próximos do canal superior.

Resultados e Discussão

A Figura 3 exibe o resultado de varredura ω-2θ de difração de raios X de alta resolução (HRXRD) da heteroestrutura AlGaN de duplo canal a partir de reflexão simétrica (0004). A intensidade de difração da camada de nucleação AlN, buffer GaN, buffer graduado AlGaN, canal AlGaN e camadas de barreira AlGaN pode ser observada. Além disso, a varredura de espectro de 71,0 a 73,2° é apresentada na Fig. 2b com ampliação para clareza, e função de Lorentz é aplicada para ajustar os multi-picos. Os picos de difração de buffer GaN, canal AlGaN e barreira AlGaN localizam-se em 71,6°, 72,2° e 72,8°, e o buffer graduado AlGaN resulta em uma plataforma entre os picos de buffer GaN e canal AlGaN. Estes resultados indicam a estrutura multicamada distinta e o controle sofisticado do processo de crescimento, e as composições AlN de 10% e 31% no canal AlGaN e barreira podem ser extraídas.

Medição de capacitância-tensão (C-V) com configuração de sonda de mercúrio foi realizada para investigar as características de duplo canal da heteroestrutura. Como mostrado no inseto da Fig. 4, dois degraus de capacitância distintos podem ser observados em torno de −2,5 V e −10 V com a tensão aplicada varrida de 0 a −15 V, correspondendo à depleção de 2DEG nas interfaces AlN/Al₀.₁₀Ga₀.₉₀. Além disso, as propriedades de distribuição de portadores podem ser extraídas da curva C-V e o resultado é ilustrado na Fig. 4. Dois picos de concentração de portadores localizam-se em 24 e 78 nm com valores de 6,1 × 10¹⁹ e 2,5 × 10¹⁹ cm⁻³, que está de acordo com o resultado calculado como mostrado na Fig. 2. Especialmente, nenhum canal de condução parasita pode ser observado até que a profundidade de teste atinja 1 μm, sugerindo a conquista bem-sucedida das propriedades de duplo canal da heteroestrutura. Além disso, a densidade de folha 2DEG e mobilidade foram determinadas como 1,3 × 10¹³ cm⁻² e 1130 cm²/V·s pela medição de efeito Hall.

O processo padrão de fabricação de HEMTs foi realizado na heteroestrutura AlGaN de duplo canal. O processo de fabricação do dispositivo começou com contato ôhmico formado com pilha de metal multicamada Ti/Al/Ni/Au depositada por evaporação de feixe de elétrons, seguida por recozimento térmico rápido a 850 °C por 30 s em atmosfera de N₂. Então, o isolamento de mesa foi realizado por gravação de plasma acoplado indutivamente Cl₂/BCl₃ a uma profundidade de 200 nm, e camada de passivação SiN de 100 nm de espessura foi formada por deposição química de vapor aprimorada por plasma. Posteriormente, uma área de porta com comprimento (L_G) de 0,8 μm foi definida por fotolitografia após gravar o SiN superior com plasma CF₄, e então um eletrodo de porta Schottky Ni/Au foi depositado. As distâncias porta-fonte (L_GS) e porta-dreno (L_GD) são 0,8 e 1 μm, respectivamente. Para fins de comparação, duas amostras adicionais de HEMTs baseadas nas heteroestruturas convencionais AlGaN de canal único e GaN de duplo canal também foram fabricadas, e os esquemas transversais são mostrados na Fig. 1 b e c. O processo do dispositivo e parâmetros característicos das amostras adicionais de HEMTs são exatamente os mesmos dos HEMTs AlGaN de duplo canal. As propriedades de saída e transferência dos dispositivos foram realizadas com analisador de parâmetros semicondutores Keithley 4200, e as características de ruptura foram realizadas usando sistema analisador de semicondutores de alta tensão Agilent B1505A.

As características de saída típicas dos HEMTs são ilustradas na Fig. 5, para as quais V_GS e V_DS foram varridos de 0~−10 V e 0~10 V. A densidade máxima de corrente de dreno (I_max) e resistência diferencial ligada (R_on) da amostra AlGaN de canal único são 265,3 mA/mm e 27,1 Ω·mm, respectivamente. Estes resultados estão de acordo com relatórios anteriores, sugerindo a deficiência de HEMTs de canal AlGaN em capacidade de condução de corrente. Para os HEMTs AlGaN de duplo canal, I_max aumenta dramaticamente para 473 mA/mm, que é 1,8 vezes maior que a dos HEMTs AlGaN de canal único. Atribuímos a melhoria em I_max às propriedades de transporte superiores da heteroestrutura AlGaN de duplo canal. Por um lado, a estrutura de duplo canal possui dois poços de potencial na direção vertical, e a capacidade de armazenamento de portadores do canal de condução AlGaN é promovida. Por outro lado, embora a densidade total de portadores do canal seja aumentada, a densidade média de elétrons em cada canal é reduzida. Como resultado, o efeito de espalhamento portador-portador é suprimido e a mobilidade de elétrons do canal é elevada. No entanto, pode-se observar que R_on dos HEMTs AlGaN de duplo canal é 12,5 Ω·mm, ainda maior que a dos HEMTs GaN de duplo canal. Este fenômeno está relacionado à grande altura da barreira de contato das camadas de barreira AlGaN, para a qual a composição AlN é tão alta quanto 31%. Devido ao efeito de autoaquecimento resultante da alta dissipação de potência, o efeito de resistência diferencial negativa pode ser observado para os HEMTs GaN de duplo canal quando V_GS > −4 V e V_DS > 6 V. No entanto, para os HEMTs de canal AlGaN (tanto canal único quanto duplo canal), este efeito de resistência diferencial negativa é significativamente suprimido, manifestando o desempenho superior dos HEMTs de canal AlGaN em condições de temperatura elevada.

A Figura 6 ilustra as propriedades de transferência típicas dos HEMTs com V_DS de 10 V. Os HEMTs AlGaN de canal único exibem tensão de limiar (V_T) de −3,8 V, junto com uma transcondutância extrínseca de pico inferior (G_m,max) de 80,5 mS/mm nas proximidades de V_GS = −1,5 V. Para os HEMTs AlGaN de duplo canal e GaN de duplo canal, V_T diminui notavelmente para −9,2 e −11,2 V, o que resulta da alta densidade de portadores do canal e da distância relativamente longa do eletrodo de porta ao canal 2DEG inferior. O alto V_T pode resultar em alta perda de potência dos dispositivos em estado desligado, e esta questão pode ser melhorada further otimizando os parâmetros de crescimento de estruturas de duplo canal, como reduzir adequadamente a espessura das camadas de barreira e canal superior. Especialmente, características de dupla corcova podem ser observadas nas curvas de transcondutância dos HEMTs AlGaN de duplo canal e GaN de duplo canal. Para os HEMTs AlGaN de duplo canal, dois valores de pico de 97,9 e 42,5 mS/mm podem ser extraídos em V_G = −1,0 e −6,0 V. O valor de sub-pico atinge 43% do G_m,max, indicando a decente capacidade de controle de porta e linearidade dos HEMTs AlGaN de duplo canal. Além disso, baseados em nossa conquista de pesquisa anterior, os resultados podem ser further melhorados modulando parâmetros de estrutura, como espessura e composição dos canais duplos AlGaN, e o efeito de acoplamento entre os canais duplos e a linearidade do dispositivo podem ser aprimorados.

As características de ruptura em estado desligado dos HEMTs baseados em diferentes heteroestruturas são medidas e mostradas na Fig. 7. V_b é definido pelo critério de corrente de fuga atingindo 5 μA/mm. Pode-se observar que todas as três amostras apresentam características de ruptura dura, e o desempenho de ruptura dos HEMTs de canal AlGaN é obviamente melhor que o dos HEMTs de canal GaN. V_b dos HEMTs AlGaN de duplo canal é 143,5 V, mais de duas vezes maior que o dos HEMTs GaN de duplo canal. Considerando L_GD = 1 μm, V_b,standard (definido por V_b/L_GD) é tão alto quanto 143,5 V/μm para os HEMTs AlGaN de duplo canal. Os resultados de I_max e V_b,standard dos HEMTs AlGaN de duplo canal neste trabalho são comparados com HEMTs de canal GaN e AlGaN relatados por outros grupos na Fig. 8, e os resultados de dispositivos de modo de depleção (DM) e modo de realce (EM) são distinguidos. Além disso, os índices centrais dos HEMTs de canal AlGaN (heteroestruturas) em relatórios anteriores e neste trabalho são resumidos na Tabela 1. Como mostrado na Fig. 8, é óbvio que o desempenho de ruptura dos HEMTs de canal AlGaN é geralmente melhor que o dos HEMTs de canal GaN, acompanhando a deterioração em I_max. Notavelmente, I_max do AlGaN de duplo canal neste trabalho é comparável à maioria dos resultados dos HEMTs de canal GaN. Além disso, é necessário notar que o valor de I_max neste trabalho é obtido em V_GS = 0 V, que é conservador e pode ser further melhorado aplicando tensão de porta positiva. Portanto, estes resultados demonstram convincentemente o enorme potencial dos HEMTs AlGaN de duplo canal em aplicações de dispositivos de potência de micro-ondas.

Conclusões

Em resumo, heteroestrutura AlGaN de duplo canal é proposta para fabricar HEMTs de alto desempenho. As propriedades de transporte superiores da heteroestrutura AlGaN de duplo canal são reveladas, levando à capacidade de condução de corrente melhorada dos HEMTs. Além disso, o excelente desempenho de ruptura dos HEMTs AlGaN de duplo canal é demonstrado. Os resultados neste trabalho mostram o grande potencial de dispositivos AlGaN de duplo canal em aplicações de potência de micro-ondas no futuro.