Modulasi Panjang Lubang Via Membuka HEMT GaN Biasa Mati dengan Saluran 300 nm
Abstrak
Kami melaporkan kemajuan dalam transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT) AlGaN/GaN biasanya mati dengan mengontrol panjang lubang via dalam arsitektur saluran multi-mesa (MMC). Perangkat mode peningkatan (E-mode) dengan lebar saluran hingga 300 nm berhasil dibuat, menunjukkan tegangan ambang positif sebesar +0,79 V (100 nm / 2 µm) dan +0,46 V (300 nm / 6 µm). Perangkat ini menunjukkan resistansi pada yang lebih rendah dari HEMT nanoribbon tri-gate konvensional sambil mempertahkan arus drain yang tinggi dan stabilitas termal yang ditingkatkan. Panjang lubang via mengatur pinning permukaan dan depleksi lateral, memungkinkan elektronika daya GaN biasanya mati yang dapat diskalakan.
Latar Belakang
Nitride wide-bandgap III-V menawarkan kinerja yang tak tertandingi untuk aplikasi frekuensi tinggi dan tegangan tinggi karena bandgapnya yang besar, medan kritis yang tinggi, dan kecepatan saturasi elektron yang tinggi. Heterostruktur AlGaN/GaN membentuk saluran 2-DEG yang menjadi dasar transistor berkinerja tinggi, namun perilaku mode depleksi (D-mode) intinya memerlukan rangkaian kompleks untuk aplikasi digital, RF, dan daya. Strategi konvensional untuk menginduksi operasi biasanya mati—gate reses, capping tipe p, sambungan terowongan, implantasi ion, atau annealing termal cepat—seringkali menurunkan hasil produksi perangkat atau memperkenalkan masalah keandalan.
Struktur fin nanostruktur terbaru telah menunjukkan bahwa pengurangan lebar saluran di bawah sekitar 100 nm menggeser tegangan ambang (Vth) secara positif, karena pinning permukaan dinding sisi dan relaksasi tegangan. Namun, mencapai resistansi pada (Ron) yang rendah dengan saluran di bawah 100 nm tetap menantang, karena penskalaan lebar gate berdampak buruk terhadap kebocoran dan transkonduktansi. Karya kami mengatasi ini dengan mengintegrasikan struktur MMC tri-gate dengan panjang lubang via yang dapat disesuaikan untuk secara bersamaan mencapai operasi E-mode, Ron rendah, dan performa termal yang kuat.
Metode
Epilayer AlGaN/GaN ditumbuhi pada safran c-plane oleh MOCVD (Nippon Sanso SR-2000). Lapisan inti GaN pada 600 °c diikuti oleh buffer GaN yang tidak sengaja didop 2 µm, lapisan penghalang AlGaN yang tidak sengaja didop 21,8 nm (23 % Al), dan cap GaN 2 nm, semuanya ditinggalkan pada 1180 °c. Isolasi mesa dan pengukisan trench periodik dilakukan oleh ICP-RIE (BCl3/Cl2). Pemulihan kristalografi setelah pengukisan menggunakan KOH leleh untuk halusan dinding sisi, dan larutan piranha menghilangkan organik. Fotolitografi mendefinisikan almari, drain, gate, dan almari kontak. Kontak Ohmik (Ti/Al/Ni/Au 30/120/20/80 nm) dianneal pada 850 °c selama 30 detik di bawah vakum; elektroda gate Ni/Au 20/80 nm. Dimensi perangkat: panjang gate 2 µm, lebar MMC 100–500 nm, panjang lubang via 1–6 µm, tinggi 130 nm. Tidak ada passivasi yang diterapkan pada panjang lubang via untuk mempertahankan efek pinning permukaan.
Gambar 1. (a) Potongan lintang struktur HEMT; (b) tampilan atas; (c) representasi 3-D.
Gambar 2. (a) SEM metalisasi almari/drain; (b) OM perangkat lengkap; (c) SEM dimensi saluran.
Hasil dan Pembahasan
Sebagian besar HEMT GaN tetap D-mode karena 2-DEG inti. Mencapai operasi biasanya mati memerlukan kontrol yang tepat terhadap depleksi permukaan dan kontrol gate. Ikatan yang menggantung di dinding sisi (~10^15 cm⁻²) menghasilkan medan pinning permukaan yang mendekati saluran secara lateral. Dalam MMC tri-gate kami, panjang lubang via menentukan seberapa luas depleksi ini.
Gambar 3a menunjukkan depleksi lateral di sekitar dinding sisi. Karakteristik transfer (Gambar 3b) untuk LMMC = 2 µm dan WMMC = 100, 300, 500 nm menunjukkan Vth sebesar +0,79, –1,32, dan –2,18 V pada VDS = 8 V, mengonfirmasi geser positif dengan lebar yang dikurangi. Efek ini timbul dari kombinasi depleksi lateral dan lenturan permukaan panjang lubang via.
Gambar 3. (a) Skematis saluran MMC lebar vs. sempit; (b) kurva transfer ID-VG untuk LMMC = 2 µm, WMMC yang bervariasi.
Dengan memvariasi LMMC pada WMMC tetap = 300 nm (Gambar 4), kami memperoleh Vth sebesar –2,12, –1,07, dan +0,46 V untuk LMMC = 1, 2, dan 6 µm, masing-masing. Perangkat LMMC 6 µm mencapai operasi E-mode. Tabel 1 merangkum ketergantungan Vth, IDSsat, dan gm baik terhadap WMMC maupun LMMC. Secara menonjol, meningkatkan LMMC dari 0,8 ke 6 µm menggeser Vth dari negatif ke positif sambil mengurangi IDSsat dan gm—seperti yang diharapkan trade-off yang dapat diterima untuk aplikasi daya di mana Ron rendah adalah kritis.
Gambar 4. Kurva transfer ID-VG untuk WMMC tetap = 300 nm dan LMMC yang bervariasi.
Dibandingkan dengan karya sebelumnya, perangkat E-mode kami menunjukkan Ron yang jauh lebih rendah sambil mempertahankan arus drain dan transkonduktansi yang dapat diterima, berkat pinning permukaan yang dirancang dan geometri tri-gate. Pengukuran termal mengonfirmasi pemanasan Joule yang dikurangi karena arus yang terdistribusi.
Kesimpulan
Kami telah mendemonstrasikan bahwa modulasi panjang lubang via dalam HEMT GaN multi-mesa-saluran memungkinkan operasi biasanya mati dengan lebar saluran hingga 300 nm. Perangkat dengan WMMC = 300 nm dan LMMC = 6 µm memberikan Vth = +0,46 V, Ron rendah, dan penanganan daya yang ditingkatkan, membuka jalan bagi elektronika daya GaN generasi mendatang.
