HEMT Saluran Ganda AlGaN Menghasilkan Densitas Arus Drain yang Lebih Tinggi & Tegangan Breakdown Unggul
Abstrak
Dalam pekerjaan ini, heterostruktur saluran ganda AlGaN diusulkan dan ditumbuhkan oleh pengendapan uap kimia organik logam (MOCVD), dan HEMT AlGaN saluran ganda berkinerja tinggi diproduksi dan diteliti. Penerapan fitur saluran ganda secara efektif meningkatkan properti transportasi heterostruktur saluran AlGaN. Salah satu sisi, densitas total gas elektron dua dimensi (2DEG) ditingkatkan karena dua potensi sumur di sepanjang arah vertikal dan penangkap muatan yang ditingkatkan. Sisi lain, densitas 2DEG rata-rata di setiap saluran berkurang, dan mobilitas ditingkatkan akibat penindasan efek tumpang tindih muatan-muatan. Akibatnya, densitas arus drain maksimum (Imax) HEMT AlGaN saluran ganda mencapai 473 mA/mm dengan tegangan gerbang 0 V. Selain itu, kinerja breakdown unggul HEMT AlGaN saluran ganda juga divalidasi. Hasil ini tidak hanya menunjukkan potensi aplikasi yang besar HEMT AlGaN saluran ganda dalam elektronika daya gelombang mikro tetapi juga mengembangkan pemikiran baru untuk studi perangkat elektronik berbida nitrida kelompok III.
Pendahuluan
HEMT berbida nitrida kelompok III telah diidentifikasi sebagai kandidat paling menjanjikan untuk elektronika daya gelombang mikro generasi mendatang karena kecepatan switching yang cepat dan kerugian switching yang rendah [1,2,3,4,5]. Akhirnya, HEMT nitrida paling canggih telah mencapai komersialisasi awal hingga 650 V. Namun, dengan kematangan teknologi pembuatan perangkat, semakin sulit untuk meningkatkan lebih lanjut tegangan breakdown (Vb) dan meningkatkan keandalan perangkat pada suhu tinggi. Oleh karena itu, mengingat bandgap yang lebih besar dan stabilitas termal yang unggul AlGaN dibandingkan GaN, perangkat saluran AlGaN telah diusulkan sebagai kandidat yang menjanjikan untuk meningkatkan lebih lanjut batas kinerja HEMT nitrida dalam aplikasi tegangan tinggi dan suhu tinggi [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15].
Nanjo et al. menunjukkan peningkatan tegangan breakdown yang luar biasa HEMT saluran AlGaN, dan tegangan breakdown maksimum yang diperoleh adalah 1650 V pada HEMT Al0.53Ga0.47N/Al0.38Ga0.62N dengan jarak gerbang-drain 10 μm [6]. Kemudian, Nanjo et al. lebih lanjut meningkatkan tegangan breakdown HEMT Al0.40Ga0.60N/Al0.15Ga0.85N menjadi 1700 V [8]. Zhang et al. memproduksi HEMT saluran AlGaN dengan kontak drain ohmik/Schottky-hibrid baru, dan tegangan breakdown rekor lebih dari 2200 V diperoleh untuk HEMT saluran AlGaN [11]. Xiao et al. mengusulkan heterostruktur saluran AlGaN dengan mobilitas 2DEG tinggi 807 cm2/V·s, dan rekor arus drain maksimum dan rasio Ion/Ioff dilaporkan untuk HEMT saluran AlGaN yang diproduksi [14]. Kemudian, Xiao et al. mengusulkan HEMT normally off dengan lapisan saluran AlGaN superjaring untuk pertama kalinya, dan perangkat yang diproduksi menunjukkan tegangan breakdown lebih dari 2000 V, densitas arus on tinggi 768 mA/mm, dan tegangan ambang (VT) 1,0 V [15]. Akhirnya, Baca et al. mengevaluasi kinerja radio frekuensi (RF) HEMT saluran AlGaN dengan gerbang 80-nm. fT 28,4 GHz dan fMAX 18,5 GHz ditentukan dari pengukuran parameter S sinyal kecil [12]. Hasil ini mengilustrasikan janji HEMT saluran AlGaN untuk aplikasi daya RF.
Namun, keterbatasan perangkat saluran AlGaN yang dilaporkan sebelumnya sama sekali jelas. Salah satu sisi, karena efek tumpang tindih acak legasi ternari, mobilitas 2DEG dalam saluran AlGaN jauh lebih rendah dibandingkan saluran GaN. Akibatnya, kapasitas drive arus perangkat saluran AlGaN jauh lebih rendah dibandingkan perangkat saluran GaN tradisional. Sisi lain, untuk menginduksi jumlah 2DEG yang sama dalam saluran AlGaN, komponen AlN dalam lapisan barrier AlGaN harus lebih tinggi dibandingkan heterostruktur saluran GaN konvensional, yang akan meningkatkan kesulitan dalam proses pertumbuhan materi. Kontradiksi ini secara serius menghambat aplikasi yang luas perangkat saluran AlGaN, dan optimisasi tata letak heterostruktur sangat diperlukan.
Teknik saluran ganda adalah pendekatan menarik untuk meningkatkan densitas muatan saluran heterostruktur berbida nitrida tanpa dampak negatif pada mobilitas elektron, dan kapasitas konduksi arus perangkat akan ditingkatkan [16,17,18]. Namun, hingga saat ini masih sedikit laporan tentang heterostruktur atau perangkat elektron saluran ganda AlGaN. Dalam pekerjaan ini, untuk pertama kalinya, heterostruktur saluran ganda AlGaN diusulkan dan ditumbuhkan untuk menyelesaikan kontradiksi antara kapasitas drive arus dan kinerja breakdown perangkat elektron berbida nitrida. Selanjutnya, HEMT AlGaN saluran ganda berkinerja tinggi berdasarkan heterostruktur baru ini diproduksi dan diteliti secara detail.
Metode
Skema potongan lintang heterostruktur saluran ganda AlGaN ditunjukkan dalam Gambar 1a, dan proses pertumbuhan dapat diringkas sebagai berikut. Pertama, lapisan buffer GaN 1600 nm ditumbuhkan pada substrat safir. Kemudian, lapisan buffer AlGaN tergradasi 500 nm dengan komposisi AlN meningkat dari 0 hingga 10% ditumbuhkan, yang bermanfaat untuk menekan pembentukan saluran parasit. Kemudian, lapisan channel AlGaN bawah 100 nm, lapisan antara AlN 1 nm, dan lapisan barrier AlGaN bawah 23 nm ditumbuhkan secara berurutan, dan komposisi AlN dalam lapisan channel dan barrier adalah 10% dan 31%, masing-masing. Akhirnya, lapisan channel AlGaN atas 30 nm, lapisan antara AlN 1 nm, dan lapisan barrier AlGaN atas 23 nm ditumbuhkan, dengan komposisi yang sama dengan lapisan bawah. Diagram pita konduksi heterostruktur saluran ganda AlGaN dapat dihitung dengan menyelesaikan secara konsisten persamaan Poisson-Schrödinger satu dimensi, yang menggunakan metode selisih hingga dengan ukuran jala non-uniform [19]. Diagram pita konduksi dan distribusi densitas elektron yang diekstraksi heterostruktur saluran ganda AlGaN diilustrasikan dalam Gambar 2a, dan hasil heterostruktur saluran tunggal AlGaN juga disediakan dalam Gambar 2b untuk perbandingan. Dua sumur potensi dalam terbentuk pada antarmuka lapisan antara AlN dan lapisan channel Al0.10Ga0.90N untuk heterostruktur saluran ganda AlGaN, yang sesuai dengan dua saluran 2DEG. Selain itu, dapat diamati bahwa densitas 2DEG di saluran atas lebih tinggi dibandingkan di saluran bawah, yang dapat dijelaskan dari dua aspek. Salah satu sisi, lapisan barrier AlGaN bawah bertindak sebagai barrier belakang saluran atas, yang bermanfaat untuk mempromosikan penangkap 2DEG saluran atas. Sisi lain, sumber utama channel 2DEG dalam heterostruktur nitrida adalah status permukaan donor-like [20], yang lebih dekat dengan saluran atas.
Tampilan potongan lintang (tidak berskala) dari a saluran ganda AlGaN, b saluran tunggal AlGaN, dan c saluran ganda GaN heterostruktur (HEMT)
Diagram pita konduksi dan distribusi densitas elektron heterostruktur saluran ganda dan tunggal AlGaN
Hasil dan Pembahasan
Gambar 3 menunjukkan hasil skan ω-2θ x-ray difraksi resolusi tinggi (HRXRD) dari heterostruktur saluran ganda AlGaN dari refleksi simetris (0004). Intensitas difraksi dari lapisan nukleasi AlN, buffer GaN, buffer AlGaN tergradasi, channel AlGaN, dan lapisan barrier AlGaN dapat diamati. Selain itu, skan spektrum dari 71,0 hingga 73,2° disajikan dalam Gambar 2b dengan pembesaran untuk kejelasan, dan fungsi Lorentz diterapkan untuk memasang puncak ganda. Puncak difraksi buffer GaN, channel AlGaN, dan barrier AlGaN terletak pada 71,6°, 72,2°, dan 72,8°, dan buffer AlGaN tergradasi menghasilkan platform antara puncak buffer GaN dan channel AlGaN. Hasil ini menunjukkan struktur lapisan multi yang jelas dan kontrol yang canggih dari proses pertumbuhan, dan komposisi AlN 10% dan 31% dalam channel dan barrier AlGaN dapat diekstraksi.
Skan ω-2θ HRXRD (0004) plane heterostruktur saluran ganda AlGaN
Pengukuran kapasitansi-tegangan (C-V) dengan konfigurasi probe merkuri dilakukan untuk menyelidiki karakteristik saluran ganda heterostruktur. Seperti yang ditunjukkan dalam inset Gambar 4, dua langkah kapasitansi yang berbeda dapat diamati pada sekitar −2,5 V dan −10 V saat tegangan yang diterapkan diusap dari 0 hingga −15 V, yang sesuai dengan depleksi 2DEG di antarmuka AlN/Al0.10Ga0.90. Selain itu, properti distribusi muatan dapat diekstraksi dari kurva C-V dan hasilnya diilustrasikan dalam Gambar 4. Dua puncak konsentrasi muatan terletak pada 24 dan 78 nm dengan nilai 6,1 × 1019 dan 2,5 × 1019 cm−3, yang sesuai dengan hasil perhitungan seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2. Khususnya, tidak ada saluran konduksi parasit yang dapat diamati hingga kedalaman pengujian mencapai 1 μm, yang menunjukkan pencapaian yang sukses dari properti saluran ganda heterostruktur. Selain itu, densitas sheet 2DEG dan mobilitas ditentukan sebesar 1,3 × 1013 cm−2 dan 1130 cm2/V∙s oleh pengukuran efek Hall.
Karakteristik C-V dan kurva distribusi elektron heterostruktur saluran ganda AlGaN
Proses pembuatan HEMT standar dilakukan pada heterostruktur saluran ganda AlGaN. Proses pembuatan perangkat dimulai dengan kontak ohmik yang terbentuk dengan lapisan logam multilayer Ti/Al/Ni/Au yang ditambahkan oleh pengendapan aliran elektron, diikuti oleh anealing termal cepat pada 850 °C selama 30 s dalam atmosfer N2. Kemudian, isolasi mesa dilakukan oleh penggoresan plasma terpadu terinduksi Cl2/BCl3 hingga kedalaman 200 nm, dan lapisan passivasi SiN tebal 100 nm dibentuk oleh pengendapan uap kimia yang ditingkatkan plasma. Kemudian, area gerbang dengan panjang (LG) 0,8 μm didefinisikan oleh litografi cahaya setelah menggores SiN atas dengan plasma CF4, dan kemudian elektroda gerbang schottky Ni/Au ditambahkan. Jarak gerbang-sumber (LGS) dan gerbang-drain (LGD) adalah 0,8 dan 1 μm, masing-masing. Untuk tujuan perbandingan, dua sampel HEMT tambahan berdasarkan heterostruktur saluran tunggal AlGaN konvensional dan saluran ganda GaN juga diproduksi, dan skema potongan lintang ditunjukkan dalam Gambar 1 b dan c. Proses perangkat dan parameter karakteristik sampel HEMT tambahan sama persis dengan HEMT saluran ganda AlGaN. Properti output dan transfer perangkat dilakukan dengan Keithley 4200 semiconductor parameter analyzer, dan karakteristik breakdown dilakukan menggunakan Agilent B1505A high-voltage semiconductor analyzer system.
Ciri output khas HEMT diilustrasikan dalam Gambar 5, untuk yang VGS dan VDS diusap dari 0~−10 V dan 0~10 V. Densitas arus drain maksimum (Imax) dan resistensi on diferensial (Ron) sampel saluran tunggal AlGaN adalah 265,3 mA/mm dan 27,1 Ω∙mm, masing-masing. Hasil ini sesuai dengan laporan sebelumnya, yang menunjukkan kekurangan HEMT saluran AlGaN dalam kapasitas drive arus. Untuk HEMT saluran ganda AlGaN, Imax secara dramatis meningkat menjadi 473 mA/mm, yang 1,8 kali lebih tinggi dibandingkan HEMT saluran tunggal AlGaN. Kami mengaitkan peningkatan Imax dengan properti transportasi yang unggul heterostruktur saluran ganda AlGaN. Salah satu sisi, struktur saluran ganda memiliki dua sumur potensi di sepanjang arah vertikal, dan kapasitas penyimpanan muatan saluran konduksi AlGaN ditingkatkan. Sisi lain, meskipun densitas muatan saluran total meningkat, densitas elektron rata-rata di setiap saluran berkurang. Akibatnya, efek tumpang tindih muatan-muatan ditekan dan mobilitas elektron saluran ditingkatkan. Namun, dapat diamati bahwa Ron HEMT saluran ganda AlGaN adalah 12,5 Ω∙mm, masih lebih besar dibandingkan HEMT saluran ganda GaN. Fenomena ini terkait dengan tinggi-nya barier kontak lapisan barrier AlGaN, untuk yang komposisi AlN setinggi 31%. Akibat efek pemanas sendiri yang dihasilkan dari dissipasi daya tinggi, efek resistensi diferensial negatif dapat diamati untuk HEMT saluran ganda GaN ketika VGS >−4 V dan VDS>6 V. Meskipun demikian, untuk HEMT saluran AlGaN (baik saluran tunggal maupun saluran ganda), efek resistensi diferensial negatif ini secara signifikan ditekan, yang menunjukkan kinerja unggul HEMT saluran AlGaN dalam kondisi suhu tinggi.
Ciri output HEMT saluran ganda AlGaN, saluran tunggal AlGaN, dan saluran ganda GaN
Gambar 6 mengilustrasikan ciri transfer khas HEMT dengan VDS 10 V. HEMT saluran tunggal AlGaN menunjukkan tegangan ambang (VT) −3,8 V, bersama dengan transkonduktansi eksternal puncak yang buruk (Gm,max) 80,5 mS/mm di sekitar VGS = −1,5 V. Untuk HEMT saluran ganda AlGaN dan saluran ganda GaN, VT secara signifikan menurun menjadi −9,2 dan −11,2 V, yang merupakan hasil dari densitas muatan saluran yang tinggi dan jarak yang cukup jauh dari elektroda gerbang ke saluran 2DEG bawah. VT yang tinggi dapat mengakibatkan kerugian daya tinggi pada perangkat pada keadaan mati, dan masalah ini dapat diperbaiki dengan mengoptimalkan lebih lanjut parameter pertumbuhan struktur saluran ganda, seperti dengan mengurangi tebal lapisan barrier dan saluran atas dengan tepat. Khususnya, karakteristik double-hump dapat diamati pada kurva transkonduktansi HEMT saluran ganda AlGaN dan saluran ganda GaN. Untuk HEMT saluran ganda AlGaN, dua nilai puncak 97,9 dan 42,5 mS/mm dapat diekstraksi pada VG = −1,0 dan −6,0 V. Nilai sub-puncak mencapai 43% dari Gm,max, menunjukkan kemampuan kontrol gerbang yang baik dan linearitas HEMT saluran ganda AlGaN. Selain itu, berdasarkan hasil penelitian kami sebelumnya [21], hasil dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan memodulasi parameter struktur, seperti tebal dan komposisi saluran ganda AlGaN, dan efek coupling antara saluran ganda dan linearitas perangkat dapat ditingkatkan.
Ciri transfer HEMT saluran ganda AlGaN, saluran tunggal AlGaN, dan saluran ganda GaN
Ciri breakdown keadaan mati HEMT berdasarkan heterostruktur berbeda diukur dan ditunjukkan dalam Gambar 7. Vb didefinisikan oleh kriteria arus bocor mencapai 5 μA/mm. Dapat diamati bahwa ketiga sampel menunjukkan karakteristik breakdown keras, dan kinerja breakdown HEMT saluran AlGaN jelas lebih baik dibandingkan HEMT saluran GaN. Vb HEMT saluran ganda AlGaN adalah 143,5 V, lebih dari dua kali lebih tinggi dibandingkan HEMT saluran ganda GaN. Dengan mempertimbangkan LGD = 1 μm, Vb,standard (didefinisikan oleh Vb/LGD) setinggi 143,5 V/μm untuk HEMT saluran ganda AlGaN. Hasil Imax dan Vb,standard HEMT saluran ganda AlGaN dalam pekerjaan ini dibandingkan dengan HEMT saluran GaN dan saluran AlGaN yang dilaporkan oleh kelompok lain dalam Gambar 8, dan hasil dari perangkat depletion-mode (DM) dan enhancement-mode (EM) dibedakan. Selain itu, indeks inti HEMT saluran AlGaN (heterostruktur) dalam laporan sebelumnya dan pekerjaan ini diringkas dalam Tabel 1. Seperti yang ditunjukkan Gambar 8, jelas bahwa kinerja breakdown HEMT saluran AlGaN umumnya lebih baik dibandingkan HEMT saluran GaN, disertai dengan kemurungan Imax. Secara mencolok, Imax saluran ganda AlGaN dalam pekerjaan ini dapat dibandingkan dengan sebagian besar hasil HEMT saluran GaN. Selain itu, perlu dicatat bahwa nilai Imax dalam pekerjaan ini diperoleh pada VGS = 0 V, yang konservatif dan dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan menerapkan tegangan gerbang positif. Oleh karena itu, hasil ini secara tegas menunjukkan potensi besar HEMT saluran ganda AlGaN dalam aplikasi perangkat daya gelombang mikro.
Ciri breakdown HEMT saluran ganda AlGaN, saluran tunggal AlGaN, dan saluran ganda GaN
Benchmarking Imax dan Vb,standard untuk HEMT saluran AlGaN dan saluran GaN
Kesimpulan
Secara ringkas, heterostruktur saluran ganda AlGaN diusulkan untuk memproduksi HEMT berkinerja tinggi. Properti transportasi yang unggul heterostruktur saluran ganda AlGaN terungkap, yang mengarah pada peningkatan kapasitas drive arus HEMT. Selain itu, kinerja breakdown yang unggul HEMT saluran ganda AlGaN divalidasi. Hasil dalam pekerjaan ini menunjukkan potensi besar perangkat saluran ganda AlGaN dalam aplikasi daya gelombang mikro di masa depan.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini disertakan dalam artikel ini yang diterbitkan dan berkas informasi tambahannya.
