Modulation de la longueur de via-hole pour HEMTs GaN normally-off à canaux de 300 nm

Résumé

Nous rapportons une percée dans les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) AlGaN/GaN normally-off (mode enhancement) en contrôlant la longueur de via-hole dans une architecture multi-mesa-channel (MMC). Des dispositifs mode enhancement (E-mode) avec largeurs de canal jusqu'à 300 nm ont été fabriqués, démontrant des tensions de seuil positives de +0,79 V (100 nm / 2 µm) et +0,46 V (300 nm / 6 µm). Ces dispositifs présentent des résistances en état passant inférieures aux HEMTs nanorubans tri-gate conventionnels tout en maintenant un courant de drain élevé et une stabilité thermique améliorée. La longueur de via-hole gouverne le pincement de surface et l'appauvrissement latéral, permettant une électronique de puissance GaN normally-off scalable.

Contexte

Les nitrures III-V à large bande offrent une performance inégalée pour les applications haute fréquence et haute tension grâce à leurs larges bandes, champs critiques élevés et vitesses de saturation électronique élevées. Les hétérostructures AlGaN/GaN forment des canaux 2DEG qui sous-tendent les transistors haute performance, pourtant leur comportement intrinsèque depletion-mode (D-mode) nécessite des circuits complexes pour les applications numériques, RF et de puissance. Les stratégies conventionnelles pour induire le fonctionnement normally-off — gates encastrés, capage de type p, jonctions tunnel, implantation ionique, ou recuit thermique rapide — dégradent souvent le rendement ou introduisent des problèmes de fiabilité.

De récentes nano-structures en ailettes ont montré que la réduction de la largeur de canal en dessous de ~100 nm décale la tension de seuil (Vth) positivement, en raison du pincement de surface des parois latérales et de la relaxation de contrainte. Cependant, atteindre une faible résistance en état passant (Ron) avec des canaux sous-100 nm reste difficile, car la mise à l'échelle de la largeur de gate impacte négativement la fuite et la transconductance. Notre travail aborde cela en intégrant une structure MMC tri-gate avec des longueurs de via-hole ajustables pour atteindre simultanément le fonctionnement E-mode, faible Ron, et performance thermique robuste.

Méthodes

L'épicouche AlGaN/GaN a été cultivée sur saphir plan c par MOCVD (Nippon Sanso SR-2000). Une couche de nucléation GaN à 600 °C a été suivie par un tampon GaN non intentionnellement dopé de 2 µm, une barrière AlGaN non intentionnellement dopée de 21,8 nm (23 % Al), et une cape GaN de 2 nm, toutes déposées à 1180 °C. L'isolation mesa et la gravure de tranchées périodiques ont été effectuées par ICP-RIE (BCl₃/Cl₂). La restauration cristallographique post-gravure a utilisé du KOH fondu pour le lissage des parois latérales, et la solution piranha a éliminé les organiques. La photolithographie a défini la source, drain, gate, et pads de contact. Les contacts ohmiques (Ti/Al/Ni/Au 30/120/20/80 nm) ont été recuits à 850 °C pendant 30 s sous vide ; les électrodes de gate étaient Ni/Au 20/80 nm. Dimensions du dispositif : longueur de gate 2 µm, largeur MMC 100–500 nm, longueur de via-hole 1–6 µm, hauteur 130 nm. Aucune passivation n'a été appliquée à la longueur de via-hole pour préserver les effets de pincement de surface.

Résultats et discussion

La plupart des HEMTs GaN restent en D-mode en raison du 2DEG inhérent. Atteindre le fonctionnement normally-off demande un contrôle précis de l'appauvrissement de surface et du contrôle de gate. Les liaisons pendantes des parois latérales (~10¹⁵ cm⁻²) produisent un champ de pincement de surface qui appauvrit le canal latéralement. Dans notre MMC tri-gate, la longueur de via-hole dicte l'étendue de cet appauvrissement.

La figure 3a montre l'appauvrissement latéral autour des parois latérales. Les caractéristiques de transfert (Figure 3b) pour L_MMC = 2 µm et W_MMC = 100, 300, 500 nm révèlent Vth de +0,79, –1,32, et –2,18 V à VDS = 8 V, confirmant le décalage positif avec la largeur réduite. L'effet provient de l'appauvrissement latéral combiné et de la courbure de surface de la longueur de via-hole.

En variant L_MMC à W_MMC fixe = 300 nm (Figure 4), nous avons obtenu Vth de –2,12, –1,07, et +0,46 V pour L_MMC = 1, 2, et 6 µm, respectivement. Le dispositif L_MMC 6 µm atteint le fonctionnement E-mode. Le Tableau 1 résume la dépendance de Vth, IDSsat, et gm par rapport à W_MMC et L_MMC. Notamment, l'augmentation de L_MMC de 0,8 à 6 µm décale Vth de négatif à positif tout en réduisant IDSsat et gm — un compromis attendu acceptable pour les applications de puissance où le faible Ron est critique.

Comparé à l'état de l'art, nos dispositifs E-mode présentent un Ron nettement plus bas tout en maintenant un courant de drain et une transconductance acceptables, grâce au pincement de surface conçu et à la géométrie tri-gate. Les mesures thermiques confirment un échauffement Joule réduit grâce au flux de courant distribué.

Conclusions

Nous avons démontré que la modulation de la longueur de via-hole dans un HEMT GaN multi-mesa-channel permet le fonctionnement normally-off avec des largeurs de canal jusqu'à 300 nm. Les dispositifs avec W_MMC = 300 nm et L_MMC = 6 µm délivrent Vth = +0,46 V, faible Ron, et une gestion de puissance améliorée, ouvrant la voie à l'électronique de puissance GaN de prochaine génération.