AlGaN двухканальные HEMT с более высокой плотностью дренного тока и превосходным пробойным напряжением

Аннотация

В данной работе предложена и выросшая методом металлоорганической химической фазовой осадки (MOCVD) AlGaN гетероструктура с двумя каналами, а также изготовлены и исследованы высокопроизводительные AlGaN двухканальные транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT). Реализация двухканальной особенности эффективно улучшает транспортные свойства AlGaN канальных гетероструктур. С одной стороны, общая плотность двумерного электронного газа (2DEG) повышается благодаря двум потенциальным ямам вдоль вертикального направления и усиленному замыканию носителей. С другой стороны, средняя плотность 2DEG в каждом канале снижается, а подвижность возрастает в результате подавления эффекта рассеяния носитель-носитель. В результате максимальная плотность дренного тока (I_max) AlGaN двухканальных HEMT достигает 473 мА/мм при затворном напряжении 0 В. Кроме того, продемонстрирована превосходная пробойная характеристика AlGaN двухканальных HEMT. Эти результаты не только показывают большой потенциал применения AlGaN двухканальных HEMT в микроволновой силовой электронике, но и развивают новый подход для изучения групп III нитридных электронных устройств.

Введение

Транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) на основе нитридов группы III признаны наиболее перспективными кандидатами для микроволновой силовой электроники следующего поколения благодаря их высокой скорости переключения и низким потерям при переключении [1–5]. Недавно самые передовые нитридные HEMT достигли начальной коммерциализации до 650 В. Однако с зрелостью технологии изготовления устройств становится все труднее дальнейшее увеличение пробойных напряжений (V_b) и улучшение надежности устройств при высоких температурах. Поэтому, учитывая более широкую запрещенную зону и превосходную термическую стабильность AlGaN по сравнению с GaN, AlGaN канальные устройства предложены как перспективные кандидаты для дальнейшего улучшения пределов производительности нитридных HEMT в высоковольтных и высокотемпературных приложениях [6–15].

Nanjo et al. продемонстрировали замечательное улучшение пробойного напряжения AlGaN канальных HEMT, максимальные пробойные напряжения составили 1650 В в Al₀.₅₃Ga₀.₄₇N/Al₀.₃₈Ga₀.₆₂N HEMT с расстоянием затвор-дрена 10 мкм [6]. Позже Nanjo et al. дальше повысили пробойное напряжение Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N/Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N HEMT до 1700 В [8]. Zhang et al. изготовили AlGaN канальные HEMT с новым омическим/Шоттки-гибридным дренальным контактом, и был получен рекордный пробойный предел более 2200 В для AlGaN канальных HEMT [11]. Xiao et al. предложили AlGaN канальные гетероструктуры с высокой подвижностью 2DEG 807 см²/В·с, и были сообщены рекорды максимального дренного тока и отношения I_on/I_off для изготовленных AlGaN канальных HEMT [14]. Затем Xiao et al. впервые предложили нормально закрытые HEMT со сверхрешетчатым AlGaN канальным слоем, изготовленные устройства показали пробойное напряжение более 2000 В, высокую плотность включенного тока 768 мА/мм и пороговое напряжение (V_T) 1,0 В [15]. Недавно Baca et al. оценили радиочастотную (RF) характеристику AlGaN канальных HEMT с длиной затвора 80 нм. f_T 28,4 ГГц и f_MAX 18,5 ГГц определены из измерений малых сигналов S-параметров [12]. Эти результаты иллюстрируют перспективы AlGaN канальных HEMT для RF силового применения.

Однако ограничения ранее сообщенных AlGaN канальных устройств также очевидны. С одной стороны, из-за эффекта рассеяния на беспорядке тернарного сплава, подвижность 2DEG в AlGaN канале намного ниже, чем в GaN канале. В результате токоразгонная способность AlGaN канальных устройств намного ниже, чем у традиционных GaN канальных устройств. С другой стороны, для индуцирования того же количества 2DEG в AlGaN канале, содержание AlN в AlGaN барьерном слое должно быть выше, чем в обычных GaN канальных гетероструктурах, что увеличивает трудности процесса роста материалов. Эти противоречия серьезно сдерживают широкое применение AlGaN канальных устройств, и оптимизация гетероструктурной компоновки острейше нужна.

Двухканальная техника — интригующий подход к повышению плотности носителей канала нитридных гетероструктур без негативного влияния на электронную подвижность, что улучшит токоразгонную способность устройств [16–18]. Однако до сих пор было мало отчетов об AlGaN двухканальных гетероструктурах или электронных устройствах. В данной работе впервые предложена и выросшая AlGaN двухканальная гетероструктура для разрешения противоречий между токоразгонной способностью и пробойной характеристикой нитридных электронных устройств. Далее, высокопроизводительные AlGaN двухканальные HEMT на основе новой гетероструктуры изготовлены и детально исследованы.

Методы

Схема поперечного сечения AlGaN двухканальной гетероструктуры показана на рис. 1a, процессы роста можно резюмировать следующим образом. Во-первых, 1600 нм GaN буферный слой вырос на сапфировой подложке. Затем вырос 500 нм градиентный AlGaN буферный слой с составом AlN, увеличивающимся от 0 до 10%, что полезно для подавления формирования паразитного канала. Последовательно выросли: 100 нм нижний AlGaN канал, 1 нм AlN промежуточный слой, 23 нм нижний AlGaN барьер; составы AlN в канале и барьере — 10% и 31% соответственно. Наконец, выросли 30 нм верхний AlGaN канал, 1 нм AlN промежуточный слой и 23 нм верхний AlGaN барьер с теми же составами, что и нижние слои. Диаграмма зон проводимости AlGaN двухканальной гетероструктуры может быть рассчитана путем самосогласованного решения одномерного уравнения Пуассона-Шрёдингера, использующего метод конечных разностей с неравномерной сеткой [19]. Диаграмма зон проводимости и извлеченное распределение электронной плотности AlGaN двухканальной гетероструктуры изображены на рис. 2a, а результаты AlGaN одно-канальной гетероструктуры также приведены на рис. 2b для сравнения. Две глубокие потенциальные ямы формируются на границе AlN промежуточных слоев и Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N канальных слоев для AlGaN двухканальной гетероструктуры, соответствующие двум 2DEG каналам. Кроме того, можно заметить, что плотность 2DEG в верхнем канале выше, чем в нижнем, что объясняется двумя аспектами. С одной стороны, нижний AlGaN барьер выступает как задний барьер верхнего канала, что способствует улучшению замыкания 2DEG верхнего канала. С другой стороны, основным источником поставки канального 2DEG в нитридных гетероструктурах являются донорные поверхностные состояния [20], которые ближе к верхнему каналу.

Результаты и обсуждение

Рисунок 3 показывает результат высокоразрешающей рентгеновской дифракции (HRXRD) ω-2θ сканирования AlGaN двухканальной гетероструктуры от симметричного отражения (0004). Наблюдается дифракционная интенсивность от AlN нуклеационного слоя, GaN буфера, AlGaN градиентного буфера, AlGaN канала и AlGaN барьерных слоев. Более того, спектральное сканирование от 71,0 до 73,2° представлено на рис. 2b с увеличением для ясности, и функция Лоренца применена для аппроксимации мультипиков. Дифракционные пики GaN буфера, AlGaN канала и AlGaN барьера находятся при 71,6°, 72,2° и 72,8°, а AlGaN градиентный буфер дает плато между пиками GaN буфера и AlGaN канала. Эти результаты указывают на четкую многослойную структуру и тонкий контроль процесса роста, и составы AlN 10% и 31% в AlGaN канале и барьере могут быть извлечены.

Измерения емкость-напряжение (C-V) с ртутным зондом выполнены для исследования двухканальных характеристик гетероструктуры. Как показано во вставке рис. 4, можно наблюдать два четких ступенчатых изменения емкости примерно при −2,5 В и −10 В при barrировке приложенного напряжения от 0 до −15 В, соответствующие истощению 2DEG на интерфейсах AlN/Al₀.₁₀Ga₀.₉₀. Кроме того, свойства распределения носителей могут быть извлечены из C-V кривой, результат показан на рис. 4. Два пика концентрации носителей расположены на 24 и 78 нм со значениями 6,1×10¹⁹ и 2,5×10¹⁹ см⁻³, что согласуется с расчетным результатом на рис. 2. Особенно, паразитный проводимый канал не наблюдается до достижения тестовой глубины 1 мкм, что свидетельствует об успешном достижении двухканальных свойств гетероструктуры. Кроме того, плотность 2DEG и подвижность определены как 1,3×10¹³ см⁻² и 1130 см²/В·с по эффекту Холла.

Стандартный процесс изготовления HEMT выполнен на AlGaN двухканальной гетероструктуре. Процесс начался с омического контакта, сформированного многослойным металлическим стеком Ti/Al/Ni/Au, осажденным электронно-лучевым испарением, за которым следовал быстрый термический отжиг при 850 °C 30 с в атмосфере N₂. Затем изоляция меза выполнялась Cl₂/BCl₃ индуктивно связанной плазмой травлением до глубины 200 нм, и 100-нм SiN пассивационный слой формировался плазмоусиленной химической фазовой осадкой. После מכן область затвора длиной (L_G) 0,8 мкм определялась фотолитографией после травления верхнего SiN CF₄ плазмой, и затем осаждался Ni/Au шотткий затворный электрод. Расстояния затвор-исток (L_GS) и затвор-дрена (L_GD) составляют 0,8 и 1 мкм соответственно. Для сравнения также изготовили два дополнительных образца HEMT на основе обычных AlGaN одно-канальной и GaN двухканальной гетероструктур, поперечные схемы показаны на рис. 1b и c. Процесс изготовления и характеристические параметры дополнительных образцов HEMT точно такие же, как у AlGaN двухканальных HEMT. Выходные и передаточные характеристики устройств измеряли на полупроводниковом параметрическом анализаторе Keithley 4200, пробойные характеристики — на системе высоковольтного полупроводникового анализатора Agilent B1505A.

Типичные выходные характеристики HEMT проиллюстрированы на рис. 5, для которых V_GS и V_DS barrировались от 0~−10 В и 0~10 В. Максимальная плотность дренного тока (I_max) и дифференциальное включенное сопротивление (R_on) AlGaN одно-канального образца составляют 265,3 мА/мм и 27,1 Ом·мм соответственно. Эти результаты согласуются с предыдущими отчетами, указывая на недостаточность AlGaN канальных HEMT в токоразгонной способности. Для AlGaN двухканальных HEMT I_max драматически увеличивается до 473 мА/мм, что в 1,8 раза выше, чем у AlGaN одно-канальных HEMT. Улучшение I_max атрибутируют превосходным транспортным свойствам AlGaN двухканальной гетероструктуры. С одной стороны, двухканальная структура обладает двумя потенциальными ямами вдоль вертикального направления, и носительная способность AlGaN проводимого канала повышается. С другой стороны, хотя общая канальная плотность носителей увеличивается, средняя электронная плотность в каждом канале снижается. В результате эффект рассеяния носитель-носитель подавляется, и канальная электронная подвижность возрастает. Однако можно заметить, что R_on AlGaN двухканальных HEMT составляет 12,5 Ом·мм, все еще больше, чем у GaN двухканальных HEMT. Это явление связано с большим барьерным контактом AlGaN барьерных слоев, состав AlN которых достигает 31%. Из-за эффекта саморазогрева, вызванного высокой рассеиваемой мощностью, эффект отрицательного дифференциального сопротивления может наблюдаться для GaN двухканальных HEMT при V_GS > −4 В и V_DS > 6 В. Тем не менее, для AlGaN канальных HEMT (как одно-канальных, так и двухканальных) этот эффект значительно подавляется, проявляя превосходную производительность AlGaN канальных HEMT в условиях повышенной температуры.

Рисунок 6 иллюстрирует типичные передаточные характеристики HEMT с V_DS 10 В. AlGaN одно-канальные HEMT демонстрируют пороговое напряжение (V_T) −3,8 В вместе с низким пиковым внешним транскондуктансом (G_m,max) 80,5 мС/мм в окрестности V_GS = −1,5 В. Для AlGaN двухканальных и GaN двухканальных HEMT V_T замечательно снижается до −9,2 и −11,2 В, что обусловлено высокой канальной плотностью носителей и относительно большим расстоянием от затворного электрода до нижнего 2DEG канала. Высокое V_T может привести к высоким потерям мощности устройств в выключенном состоянии, и эта проблема может быть улучшена дальнейшей оптимизацией параметров роста двухканальных структур, например, надлежащим уменьшением толщины барьерных и верхних канальных слоев. Особенно, двойные пики могут наблюдаться на кривых транскондуктанса AlGaN двухканальных и GaN двухканальных HEMT. Для AlGaN двухканальных HEMT можно извлечь два пиковых значения 97,9 и 42,5 мС/мм при V_G = −1,0 и −6,0 В. Суб-пиковое значение достигает 43% от G_m,max, указывая на приличную затворную управляемость и линейность AlGaN двухканальных HEMT. Кроме того, основанные на нашем предыдущем исследовательском достижении [21], результаты могут быть дополнительно улучшены модуляцией структурных параметров, таких как толщина и состав AlGaN двухканалов, и эффект связи между двухканалами и линейность устройства могут быть усилены.

Выключенное состояние пробойные характеристики HEMT на основе разных гетероструктур измерены и показаны на рис. 7. V_b определяется по критерию утечки тока, достигающего 5 мкА/мм. Можно наблюдать, что все три образца демонстрируют жесткие пробойные характеристики, и пробойная производительность AlGaN канальных HEMT очевидно лучше, чем у GaN канальных HEMT. V_b AlGaN двухканальных HEMT составляет 143,5 В, более чем в два раза выше, чем у GaN двухканальных HEMT. Учитывая L_GD = 1 мкм, V_b,standard (определенный как V_b/L_GD) достигает 143,5 В/мкм для AlGaN двухканальных HEMT. Результаты I_max и V_b,standard AlGaN двухканальных HEMT в данной работе сравниваются с GaN канальными и AlGaN канальными HEMT, сообщенными другими группами, на рис. 8, и результаты деплеционного (DM) и усиленийного (EM) режимов различаются. Кроме того, ключевые индексы AlGaN канальных HEMT (гетероструктур) в предыдущих отчетах и данной работе суммированы в Таблице 1. Как показано на рис. 8, очевидно, что пробойная производительность AlGaN канальных HEMT обычно лучше, чем у GaN канальных HEMT, сопровождаясь ухудшением I_max. Заметно, что I_max AlGaN двухканальной в данной работе сравним с большинством результатов GaN канальных HEMT. Кроме того, необходимо отметить, что значение I_max в данной работе получено при V_GS = 0 В, что консервативно и может быть дополнительно улучшено приложением положительного затворного напряжения. Поэтому эти результаты убедительно демонстрируют огромный потенциал AlGaN двухканальных HEMT в применениях микроволновых силовых устройств.

Заключение

Подводя итог, AlGaN двухканальная гетероструктура предложена для изготовления высокопроизводительных HEMT. Превосходные транспортные свойства AlGaN двухканальной гетероструктуры раскрыты, приводящие к улучшению токоразгонной способности HEMT. Кроме того, продемонстрирована отличная пробойная характеристика AlGaN двухканальных HEMT. Результаты данной работы показывают большой потенциал AlGaN двухканальных устройств в микроволновых силовом применениях в будущем.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью и ее дополнительные информационные файлы.

Аббревиатуры

MOCVD:

Металлоорганическая химическая фазовая осадка

HEMTs:

Транзисторы с высокой подвижностью электронов

2DEG:

Двумерный электронный газ

I_max:

Максимальная плотность дренного тока

V_b:

Пробойное напряжение

V_T:

Пороговое напряжение

RF:

Радиочастота

HRXRD:

Высокоразрешающая рентгеновская дифракция

C-V:

Емкость-напряжение

L_G:

Длина затвора

L_GS:

Расстояние затвор-исток

L_GD:

Расстояние затвор-дрена

R_on:

Включенное сопротивление

G_m:

Транскондуктанс

DM:

Деплеционный режим

EM:

Усиленный режим