Модуляция длины виа-холлов разблокирует нормально закрытые GaN HEMT с 300 нм каналами

Аннотация

Сообщается о прорыве в нормально закрытых AlGaN/GaN высокоэлектронно-подвижных транзисторах (HEMT) путем контроля длины виа-холлов в архитектуре с множественными меза-каналами (MMC). Изготовлены усиление-режим (E-mode) устройства с шириной канала до 300 нм, демонстрирующие положительные пороговые напряжения +0.79 В (100 нм / 2 мкм) и +0.46 В (300 нм / 6 мкм). Эти устройства показывают сопротивление в открытом состоянии ниже, чем у конвенциональных три-гейт наноленточных HEMT, сохраняя высокий дренажный ток и улучшенную термическую стабильность. Длина виа-холла управляет поверхностным закреплением и латеральной деплецией, позволяя масштабируемую нормально-закрытую GaN силовую электронику.

Введение

III-V нитриды с широкой запрещенной зоной предлагают беспрецедентную производительность для высокочастотных и высоковольтных приложений благодаря большим запрещенным зонам, высоким критическим полям и высоким насыщенным скоростям электронов. AlGaN/GaN гетероструктуры формируют 2D-электронные газы (2DEG), лежащие в основе высокопроизводительных транзисторов, однако их врожденное деплеционно-режимное (D-mode) поведение требует сложных схем для цифровых, РЧ и силового применений. Конвенциональные стратегии для получения нормально-закрытой работы — рецессированные гейты, p-типовые каппинги, туннельные переходы, ионная имплантация, быстрый термический отжиг — часто снижают выход пригодных устройств или вводят проблемы надежности.

Недавние фин-наноструктуры показали, что уменьшение ширины канала ниже ~100 нм положительно сдвигает пороговое напряжение (Vth) за счет бокового поверхностного закрепления и релаксации напряжений. Однако достижение низкого сопротивления в открытом состоянии (Ron) с суб-100 нм каналами остается сложным, так как масштабирование ширины гейта неблагоприятно влияет на утечку и транскондуктанс. Наша работа решает это, интегрируя три-гейт MMC структуру с настраиваемыми длинами виа-холлов для одновременного достижения E-mode работы, низкого Ron и робастной термической производительности.

Методы

AlGaN/GaN эпислой вырос на c-плоскости сапфира методом МОХФО (Nippon Sanso SR-2000). 600 °C GaN нуклеационный слой, затем 2 мкм непреднамеренно легированного GaN буфера, 21.8 нм непреднамеренно легированного AlGaN барьера (23% Al) и 2 нм GaN каппа, все осаждено при 1180 °C. Изоляция мез и периодическое травление траншей выполнено ICP-RIE (BCl3/Cl2). Пост-травочная кристаллографическая реставрация использовала расплавленный KOH для сглаживания боковых стенок, пираньевой раствор удалял органику. Фотолитография определяла источник, сток, гейт и контактные площадки. Омические контакты (Ti/Al/Ni/Au 30/120/20/80 нм) отжигали при 850 °C 30 с в вакууме; гейтовые электроды Ni/Au 20/80 нм. Размеры устройств: длина гейта 2 мкм, ширина MMC 100–500 нм, длина виа-холла 1–6 мкм, высота 130 нм. Пассивация виа-холла не наносилась для сохранения эффектов поверхностного закрепления.

Рис. 1: (а) поперечное сечение структуры HEMT; (б) вид сверху; (в) 3D представление. Рис. 2: (а) РЭМ металлизации источник/сток; (б) оптическая микроскопия всего устройства; (в) РЭМ размеров канала.

Результаты и обсуждение

Большинство GaN HEMT остаются D-mode из-за присущего 2DEG. Достижение нормально-закрытой работы требует точного контроля поверхностной деплеции и гейтового контроля. Висячие связи на боковых стенках (~10¹⁵ см⁻²) создают поверхностное поле закрепления, деплетирующее канал латерально. В нашем три-гейт MMC длина виа-холла диктует степень этой деплеции.

Рис. 3a показывает схему латеральной деплеции вокруг боковых стенок. Трансферные характеристики (рис. 3b) для L_MMC = 2 мкм и W_MMC = 100, 300, 500 нм раскрывают Vth +0.79, -1.32 и -2.18 В при V_DS = 8 В, подтверждая положительный сдвиг при уменьшении ширины. Эффект возникает от комбинированной латеральной деплеции и изгиба поверхности длины виа-холла.

Варируя L_MMC при фиксированном W_MMC = 300 нм (рис. 4), получают Vth -2.12, -1.07 и +0.46 В для L_MMC = 1, 2 и 6 мкм соответственно. Устройство с L_MMC = 6 мкм достигает E-mode работы. Таблица 1 суммирует зависимость Vth, I_DSsat и g_m от W_MMC и L_MMC. Особенно, увеличение L_MMC с 0.8 до 6 мкм сдвигает Vth из отрицательной в положительную область, снижая I_DSsat и g_m — ожидаемый компромисс, допустимый для силового применения, где критичен низкий Ron.

По сравнению с современным уровнем, наши E-mode устройства демонстрируют заметно более низкий Ron, сохраняя приемлемый дренажный ток и транскондуктанс, благодаря спроектированному поверхностному закреплению и три-гейт геометрии. Термические измерения подтверждают снижение Джоулева нагрева за счет распределенного тока.

Заключение

Продемонстрировано, что модуляция длины виа-холла в много-меза-канальном GaN HEMT позволяет нормально-закрытую работу с шириной канала до 300 нм. Устройства с W_MMC = 300 нм и L_MMC = 6 мкм дают Vth = +0.46 В, низкий Ron и улучшенную силовую обработку, прокладывая путь к GaN силовой электронике следующего поколения.