Dalam karya ini, heterostruktur saluran ganda AlGaN diusulkan dan ditumbuhkan oleh deposisi uap kimia organik logam (MOCVD), dan transistor mobilitas elektron tinggi saluran ganda AlGaN kinerja tinggi (HEMTs) dibuat dan diselidiki. Implementasi fitur saluran ganda secara efektif meningkatkan sifat transportasi heterostruktur saluran AlGaN. Di satu sisi, kerapatan gas elektron dua dimensi (2DEG) total dipromosikan karena sumur potensial ganda di sepanjang arah vertikal dan kurungan pembawa yang ditingkatkan. Di sisi lain, kepadatan 2DEG rata-rata di setiap saluran berkurang, dan mobilitas meningkat akibat penekanan efek hamburan pembawa-pembawa. Akibatnya, kerapatan arus pembuangan maksimum (I maks ) dari HEMT saluran ganda AlGaN mencapai 473 mA/mm dengan tegangan gerbang 0 V. Selain itu, kinerja pemecahan yang unggul dari HEMT saluran ganda AlGaN juga ditunjukkan. Hasil ini tidak hanya menunjukkan potensi aplikasi yang besar dari HEMT saluran ganda AlGaN dalam elektronika daya gelombang mikro, tetapi juga mengembangkan pemikiran baru untuk studi perangkat elektronik berbasis nitrida kelompok III.
Transistor mobilitas elektron tinggi (HEMTs) berbasis nitrida Grup III telah diidentifikasi sebagai kandidat yang paling menjanjikan untuk elektronika daya gelombang mikro generasi berikutnya karena kecepatan switching yang cepat dan kerugian switching yang rendah [1,2,3,4,5] . Akhir-akhir ini, HEMT nitrida paling canggih telah mencapai komersialisasi awal hingga 650 V. Namun, dengan kematangan teknologi fabrikasi perangkat, semakin sulit untuk meningkatkan tegangan tembus (V b ) dan meningkatkan keandalan perangkat pada suhu tinggi. Oleh karena itu, mengingat celah pita yang lebih besar dan stabilitas termal AlGaN yang unggul dibandingkan GaN, perangkat saluran AlGaN telah diusulkan sebagai kandidat yang menjanjikan untuk lebih meningkatkan batas kinerja HEMT nitrida dalam aplikasi tegangan tinggi dan suhu tinggi [6,7,8 ,9,10,11,12,13,14,15].
Nanjo dkk. menunjukkan peningkatan tegangan tembus yang luar biasa dari HEMT saluran AlGaN, dan tegangan tembus maksimum yang diperoleh adalah 1650 V di Al0,53 Ga0,47 T/Al0,38 Ga0,62 N HEMT dengan jarak gate-drain 10 μm [6]. Setelah itu, Nanjo et al. selanjutnya mempromosikan tegangan tembus Al0,40 Ga0,60 T/Al0,15 Ga0,85 N HEMT hingga 1700 V [8]. Zhang dkk. membuat HEMT saluran AlGaN dengan kontak saluran ohmik / Schottky-hybrid baru, dan rekor tegangan tembus tinggi lebih dari 2200 V diperoleh untuk HEMT saluran AlGaN [11]. Xiao dkk. mengusulkan heterostruktur saluran AlGaN dengan mobilitas 2DEG tinggi sebesar 807 cm 2 /V·s, dan catatan arus drain maksimum dan Ion /Sayamati rasio dilaporkan untuk HEMT saluran AlGaN fabrikasi [14]. Selanjutnya, Xiao et al. mengusulkan HEMT yang biasanya mati dengan lapisan saluran AlGaN superlattice untuk pertama kalinya, dan perangkat yang dibuat menunjukkan tegangan tembus lebih dari 2000 V, kerapatan arus yang tinggi 768 mA/mm, dan tegangan ambang (V B ) sebesar 1,0 V [15]. Baru-baru ini, Baca et al. mengevaluasi kinerja frekuensi radio (RF) HEMT saluran AlGaN dengan gerbang panjang 80 nm. fT dari 28.4 GHz dan fMAX dari 18.5 GHz ditentukan dari pengukuran parameter S sinyal kecil [12]. Hasil ini menggambarkan janji HEMT saluran AlGaN untuk aplikasi daya RF.
Namun, keterbatasan perangkat saluran AlGaN yang dilaporkan sebelumnya juga sama jelas. Di satu sisi, karena efek hamburan tak teratur paduan terner, mobilitas gas elektron dua dimensi (2DEG) di saluran AlGaN jauh lebih rendah daripada di saluran GaN. Akibatnya, kapasitas drive perangkat saluran AlGaN saat ini jauh lebih rendah daripada perangkat saluran GaN tradisional. Di sisi lain, untuk menginduksi jumlah 2DEG yang sama di saluran AlGaN, komponen AlN di lapisan penghalang AlGaN harus lebih tinggi daripada heterostruktur saluran GaN konvensional, yang akan meningkatkan kesulitan dalam proses pertumbuhan material. Kontradiksi ini secara serius menghambat penerapan perangkat saluran AlGaN secara luas, dan optimasi tata letak heterostruktur sangat dibutuhkan.
Teknik saluran ganda adalah pendekatan yang menarik untuk mempromosikan kepadatan pembawa saluran heterostruktur berbasis nitrida tanpa dampak buruk pada mobilitas elektron, dan kemampuan konduksi perangkat saat ini akan ditingkatkan [16,17,18]. Namun, ada beberapa laporan tentang heterostruktur saluran ganda AlGaN atau perangkat elektron hingga saat ini. Dalam karya ini, untuk pertama kalinya, heterostruktur saluran ganda AlGaN diusulkan dan dikembangkan untuk menyelesaikan kontradiksi antara kemampuan penggerak saat ini dan kinerja kerusakan perangkat elektron berbasis nitrida. Selanjutnya, HEMT saluran ganda AlGaN berkinerja tinggi berdasarkan heterostruktur baru dibuat dan diselidiki secara rinci.
Skema penampang dari heterostruktur saluran ganda AlGaN ditunjukkan pada Gambar. 1a, dan proses pertumbuhan dapat diringkas sebagai berikut. Pertama, lapisan penyangga GaN 1600 nm ditumbuhkan pada substrat safir. Kemudian ditumbuhkan lapisan buffer AlGaN bergradasi 500 nm dengan komposisi AlN meningkat dari 0 sampai 10% yang bermanfaat untuk menekan pembentukan saluran parasit. Setelah itu, saluran AlGaN bawah 100 nm, interlayer AlN 1 nm, dan penghalang AlGaN bawah 23 nm ditumbuhkan berturut-turut, dan komposisi AlN dalam saluran dan lapisan penghalang masing-masing adalah 10% dan 31%. Akhirnya, saluran AlGaN atas 30 nm, interlayer AlN 1 nm, dan lapisan penghalang AlGaN atas 23 nm ditumbuhkan, yang komposisinya sama dengan lapisan bawah. Diagram pita konduksi dari heterostruktur saluran ganda AlGaN dapat dihitung dengan secara konsisten menyelesaikan persamaan Poisson-Schrödinger satu dimensi, yang menggunakan metode beda hingga dengan ukuran mesh yang tidak seragam [19]. Diagram pita konduksi dan distribusi kerapatan elektron yang diekstraksi dari heterostruktur saluran ganda AlGaN diilustrasikan pada Gambar. 2a, dan hasil heterostruktur saluran tunggal AlGaN juga disediakan pada Gambar. 2b untuk komposisi. Dua sumur potensial dalam terbentuk pada antarmuka interlayer AlN dan Al0,10 Ga0,90 Lapisan saluran N untuk heterostruktur saluran ganda AlGaN, sesuai dengan saluran 2DEG ganda. Selain itu, dapat diamati bahwa kerapatan 2DEG di saluran atas lebih tinggi daripada di saluran bawah, yang dapat dijelaskan dari dua aspek. Di satu sisi, penghalang AlGaN bawah bertindak sebagai penghalang belakang saluran atas, yang bermanfaat untuk mempromosikan kurungan 2DEG saluran atas. Di sisi lain, sumber pemasok utama saluran 2DEG dalam heterostruktur nitrida adalah keadaan permukaan seperti donor [20], yang lebih dekat dengan saluran atas.
Tampilan penampang (tidak untuk skala) dari a Saluran ganda AlGaN, b saluran tunggal AlGaN, dan c Heterostruktur saluran ganda GaN (HEMTs)
Diagram pita konduksi dan distribusi kerapatan elektron saluran ganda AlGaN dan heterostruktur saluran tunggal
Gambar 3 menampilkan difraksi sinar-x resolusi tinggi (HRXRD) -2θ hasil pemindaian heterostruktur saluran ganda AlGaN dari refleksi simetris (0004). Intensitas difraksi dari lapisan nukleasi AlN, buffer GaN, buffer bergradasi AlGaN, saluran AlGaN, dan lapisan penghalang AlGaN dapat diamati. Selain itu, pemindaian spektrum dari 71,0 hingga 73,2° disajikan pada Gambar. 2b dengan perbesaran untuk kejelasan, dan fungsi Lorentz diterapkan agar sesuai dengan multi-puncak. Puncak difraksi buffer GaN, saluran AlGaN, dan penghalang AlGaN terletak pada 71,6°, 72,2°, dan 72,8°, dan buffer bergradasi AlGaN menghasilkan platform antara puncak buffer GaN dan saluran AlGaN. Hasil ini menunjukkan struktur multi-lapisan yang berbeda dan kontrol proses pertumbuhan yang canggih, dan komposisi AlN 10% dan 31% di saluran dan penghalang AlGaN dapat diekstraksi.
HRXRD (0004) bidang -2θ pemindaian heterostruktur saluran ganda AlGaN
Pengukuran kapasitansi-tegangan (C-V) dengan konfigurasi merkuri-probe dilakukan untuk menyelidiki karakteristik saluran ganda dari heterostruktur. Seperti yang ditunjukkan pada inset Gambar 4, dua langkah kapasitansi yang berbeda dapat diamati pada sekitar 2.5 V dan 10 V dengan tegangan yang diterapkan menyapu dari 0 hingga 15 V, sesuai dengan penipisan 2DEG pada AlN/Al0,10 Ga0,90 antarmuka. Selain itu, sifat distribusi pembawa dapat diekstraksi dari kurva C-V dan hasilnya diilustrasikan pada Gambar. 4. Dua puncak konsentrasi pembawa terletak pada 24 dan 78 nm dengan nilai 6,1 × 10 19 dan 2,5 × 10 19 cm −3 , yang sesuai dengan hasil perhitungan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Khususnya, tidak ada saluran konduksi parasit yang dapat diamati hingga kedalaman uji mencapai 1 μm, menunjukkan keberhasilan pencapaian sifat saluran ganda dari heterostruktur. Selain itu, kepadatan dan mobilitas lembar 2DEG ditentukan menjadi 1,3 × 10 13 cm −2 dan 1130 cm 2 /Vs dengan pengukuran efek Hall.
Karakteristik C-V dan kurva distribusi elektron heterostruktur saluran ganda AlGaN
Proses fabrikasi HEMT standar dilakukan pada heterostruktur saluran ganda AlGaN. Proses fabrikasi perangkat dimulai dengan kontak ohmik yang terbentuk dengan tumpukan logam berlapis Ti/Al/Ni/Au yang diendapkan oleh penguapan berkas elektron, diikuti oleh anil termal cepat pada 850 °C selama 30 s di N2 suasana. Kemudian, isolasi mesa dilakukan dengan Cl2 /BCl3 plasma yang digabungkan secara induktif hingga kedalaman 200 nm, dan lapisan pasif SiN setebal 100-nm dibentuk oleh deposisi uap kimia yang ditingkatkan plasma. Setelah itu, area gerbang dengan panjang (L G ) dari 0,8 μm ditentukan oleh fotolitografi setelah mengetsa SiN teratas dengan CF4 plasma, dan kemudian elektroda gerbang Ni/Au schottky diendapkan. Sumber gerbang (L GS ) dan pengurasan gerbang (L GD ) jaraknya berturut-turut adalah 0,8 dan 1 μm. Untuk tujuan perbandingan, dua sampel HEMT tambahan berdasarkan saluran tunggal AlGaN konvensional dan heterostruktur saluran ganda GaN juga dibuat, dan skema penampang ditunjukkan pada Gambar. 1 b dan c. Proses perangkat dan parameter karakteristik sampel HEMT tambahan persis sama dengan HEMT saluran ganda AlGaN. Sifat keluaran dan transfer perangkat dilakukan dengan penganalisis parameter semikonduktor Keithley 4200, dan karakteristik kerusakan dilakukan menggunakan sistem penganalisis semikonduktor tegangan tinggi Agilent B1505A.
Karakteristik keluaran khas HEMT diilustrasikan pada Gambar. 5, di mana VGS dan VDS disapu dari 0~− 10 V dan 0~10 V. Kepadatan arus drainase maksimum (I maks ) dan resistansi pada diferensial (R pada ) dari sampel saluran tunggal AlGaN masing-masing adalah 265.3 mA/mm dan 27,1 Ω∙mm. Hasil ini sesuai dengan laporan sebelumnya, menunjukkan kekurangan HEMT saluran AlGaN dalam kapasitas penggerak saat ini. Untuk HEMT saluran ganda AlGaN, I maks meningkat secara dramatis menjadi 473 mA/mm, yang 1,8 kali lebih tinggi dari HEMT saluran tunggal AlGaN. Kami mengaitkan peningkatan pada I maks dengan sifat transpor superior dari heterostruktur saluran ganda AlGaN. Di satu sisi, struktur saluran ganda memiliki dua sumur potensial di sepanjang arah vertikal, dan kemampuan penyimpanan pembawa saluran konduksi AlGaN dipromosikan. Di sisi lain, meskipun kerapatan pembawa saluran total meningkat, kerapatan elektron rata-rata di setiap saluran berkurang. Akibatnya, efek hamburan pembawa-pembawa ditekan dan mobilitas elektron saluran meningkat. Namun, dapat diamati bahwa R pada HEMT saluran ganda AlGaN adalah 12,5 Ω∙mm, masih lebih besar dari HEMT saluran ganda GaN. Fenomena ini terkait dengan tinggi penghalang kontak yang besar dari lapisan penghalang AlGaN, di mana komposisi AlN setinggi 31%. Karena efek pemanasan sendiri yang dihasilkan dari disipasi daya yang tinggi, efek resistansi diferensial negatif dapat diamati untuk HEMT saluran ganda GaN ketika V GS>− 4 V dan V DS> 6 V. Namun demikian, untuk HEMT saluran AlGaN (saluran tunggal dan saluran ganda), efek resistensi diferensial negatif ini ditekan secara signifikan, yang menunjukkan kinerja superior HEMT saluran AlGaN dalam kondisi suhu tinggi.
Karakteristik keluaran saluran ganda AlGaN, saluran tunggal AlGaN, dan HEMT saluran ganda GaN
Gambar 6 mengilustrasikan sifat transfer khas HEMT dengan V DS 10 V. HEMT saluran tunggal AlGaN menunjukkan tegangan ambang (V B ) dari 3,8 V, bersama dengan transkonduktansi ekstrinsik puncak inferior (G m,maks ) sebesar 80,5 mS/mm di sekitar V GS =1.5 V. Untuk HEMT saluran ganda AlGaN dan saluran ganda GaN, V B sangat menurun menjadi 9.2 dan 11.2 V, yang dihasilkan dari densitas pembawa saluran yang tinggi dan jarak yang relatif jauh dari elektroda gerbang ke saluran 2DEG yang lebih rendah. V high yang tinggi B dapat mengakibatkan hilangnya daya perangkat yang tinggi pada keadaan mati, dan masalah ini dapat diperbaiki dengan lebih mengoptimalkan parameter pertumbuhan struktur saluran ganda, seperti mengurangi ketebalan lapisan penghalang dan saluran atas dengan benar. Khususnya, karakteristik bonggol ganda dapat diamati dari kurva transkonduktansi saluran ganda AlGaN dan HEMT saluran ganda GaN. Untuk HEMT saluran ganda AlGaN, dua nilai puncak 97,9 dan 42,5 mS/mm dapat diekstraksi pada V G =1.0 dan 6.0 V. Nilai sub-puncak mencapai 43% dari Gm,maks , menunjukkan kemampuan kontrol gerbang yang layak dan linieritas HEMT saluran ganda AlGaN. Selain itu, berdasarkan pencapaian penelitian kami sebelumnya [21], hasilnya dapat lebih ditingkatkan dengan memodulasi parameter struktur, seperti ketebalan dan komposisi saluran ganda AlGaN, dan efek kopling antara saluran ganda dan linieritas perangkat dapat ditingkatkan.
Karakteristik transfer saluran ganda AlGaN, saluran tunggal AlGaN, dan HEMT saluran ganda GaN
Karakteristik kerusakan off-state dari HEMT berdasarkan heterostruktur yang berbeda diukur dan ditunjukkan pada Gambar. 7. V b didefinisikan dengan kriteria arus bocor mencapai 5 μA/mm. Dapat diamati bahwa ketiga sampel menunjukkan karakteristik kerusakan keras, dan kinerja kerusakan HEMT saluran AlGaN jelas lebih baik daripada HEMT saluran GaN. V b HEMT saluran ganda AlGaN adalah 143,5 V, dua kali lebih tinggi dari HEMT saluran ganda GaN. Mengambil L GD =1 μm menjadi pertimbangan, V b,standar (didefinisikan oleh V b /L GD ) setinggi 143,5 V/μm untuk HEMT saluran ganda AlGaN. Aku maks dan V b,standar hasil HEMT saluran ganda AlGaN dalam pekerjaan ini dibandingkan dengan saluran GaN dan HEMT saluran AlGaN yang dilaporkan oleh kelompok lain pada Gambar. 8, dan hasil perangkat mode deplesi (DM) dan mode peningkatan (EM) dibedakan. Selain itu, indeks inti HEMT saluran AlGaN (heterostruktur) dalam laporan sebelumnya dan pekerjaan ini dirangkum dalam Tabel 1. Seperti yang ditunjukkan Gambar 8, jelas bahwa kinerja kerusakan HEMT saluran AlGaN umumnya lebih baik daripada GaN saluran HEMT, disertai dengan penurunan I maks . Terlihat jelas, I maks saluran ganda AlGaN dalam pekerjaan ini sebanding dengan sebagian besar hasil HEMT saluran GaN. Selain itu, perlu dicatat bahwa I maks nilai dalam pekerjaan ini diperoleh di V GS =0 V, yang konservatif dan dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan menerapkan tegangan gerbang positif. Oleh karena itu, hasil ini secara meyakinkan menunjukkan potensi besar HEMT saluran ganda AlGaN dalam aplikasi perangkat daya gelombang mikro.
Karakteristik kerusakan saluran ganda AlGaN, saluran tunggal AlGaN, dan HEMT saluran ganda GaN
Tolok ukur I maks dan V b,standar untuk saluran AlGaN dan HEMT saluran GaN
Singkatnya, heterostruktur saluran ganda AlGaN diusulkan untuk membuat HEMT berkinerja tinggi. Sifat transpor superior dari heterostruktur saluran ganda AlGaN terungkap, yang mengarah pada peningkatan kemampuan penggerak HEMT saat ini. Selain itu, kinerja kerusakan yang sangat baik dari HEMT saluran ganda AlGaN ditunjukkan. Hasil dalam pekerjaan ini menunjukkan potensi besar perangkat saluran ganda AlGaN dalam aplikasi daya gelombang mikro di masa depan.
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang diterbitkan ini dan file informasi tambahannya.
Deposisi uap kimia organik logam
Transistor mobilitas elektron tinggi
Gas elektron dua dimensi
Kerapatan arus pembuangan maksimum
Tegangan rusak
Tegangan ambang
Frekuensi radio
Difraksi sinar-x resolusi tinggi
Tegangan kapasitansi
Panjang gerbang
Jarak gerbang-sumber
Jarak saluran-gerbang
Resistensi
Transkonduktansi
Mode penipisan
Mode peningkatan
bahan nano
Abstrak AlGaN/GaN Schottky barrier diode (SBD) dengan double-heterojunction secara teoritis dan eksperimental diselidiki pada sub-sub GaN/AlGaN/GaN/Si. Gas lubang dua dimensi (2DHG) dan gas elektron (2DEG) masing-masing terbentuk pada antarmuka GaN-top/AlGaN dan AlGaN/GaN. Pada keadaan tidak aktif,
Abstrak Transistor efek medan terowongan gerbang ganda (DG TFET) diharapkan dapat memperluas keterbatasan arus bocor dan kemiringan subthreshold. Namun, ia juga menderita dari perilaku ambipolar dengan arsitektur sumber/saluran yang simetris. Untuk mengatasi arus ambipolar, asimetri harus diperkena
Abstrak Dalam makalah ini, TFET saluran SiGe berbentuk sirip tanpa doping (DF-TFET) diusulkan dan dipelajari. Untuk membentuk persimpangan tunneling garis tanpa doping efisiensi tinggi, saluran SiGe berbentuk sirip dan gerbang / sumber tumpang tindih diinduksi. Melalui metode ini, DF-TFET dengan ar
Pengatur Tegangan Hampir tidak ada produk listrik yang tidak memerlukan jenis pengatur tegangan. Dan fakta ini menjadikan pengatur tegangan salah satu komponen listrik yang paling banyak digunakan untuk rangkaian. Kecuali kursus Anda dapat mengalirkan tegangan baterai secara langsung atau tegangan
