HEMTs AlGaN double canal : densité de courant de drain plus élevée et tension de claquage supérieure

Résumé

Dans ce travail, une hétérostructure AlGaN à double canal est proposée et cultivée par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD), et des transistors à haute mobilité électronique (HEMT) AlGaN double canal haute performance sont fabriqués et étudiés. L'implémentation de la caractéristique double canal améliore efficacement les propriétés de transport des hétérostructures à canal AlGaN. D'une part, la densité totale de gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) est augmentée grâce aux doubles puits de potentiel le long de la direction verticale et au confinement accru des porteurs. D'autre part, la densité moyenne de 2DEG dans chaque canal est réduite, et la mobilité est élevée grâce à la suppression de l'effet de diffusion porteur-porteur. En conséquence, la densité de courant de drain maximale (I_max) des HEMTs AlGaN double canal atteint 473 mA/mm avec une tension de grille de 0 V. De plus, la performance de claquage supérieure des HEMTs AlGaN double canal est également démontrée. Ces résultats montrent non seulement le grand potentiel d'application des HEMTs AlGaN double canal en électronique de puissance micro-ondes, mais développent aussi une nouvelle pensée pour l'étude des dispositifs électroniques à base de nitrures du groupe III.

Introduction

Les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) à base de nitrures du groupe III sont identifiés comme les candidats les plus prometteurs pour l'électronique de puissance micro-ondes de prochaine génération grâce à leur vitesse de commutation rapide et leurs pertes de commutation faibles. Récemment, les HEMTs nitrures les plus avancés ont atteint une commercialisation initiale jusqu'à 650 V. Cependant, avec la maturité de la technologie de fabrication, il devient de plus en plus difficile d'augmenter davantage les tensions de claquage (V_b) et d'améliorer la fiabilité des dispositifs à haute température. Par conséquent, en vue du gap de bande plus large et de la stabilité thermique supérieure de l'AlGaN sur le GaN, les dispositifs à canal AlGaN ont été proposés comme candidats prometteurs pour améliorer encore les limites de performance des HEMTs nitrures en applications haute tension et haute température.

Nanjo et al. ont démontré l'amélioration remarquable de la tension de claquage des HEMTs à canal AlGaN, obtenant des tensions de claquage maximales de 1650 V dans les HEMTs Al₀.₅₃Ga₀.₄₇N/Al₀.₃₈Ga₀.₆₂N avec distances grille-drain de 10 μm. Ensuite, Nanjo et al. ont porté la tension de claquage des HEMTs Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N/Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N à 1700 V. Zhang et al. ont fabriqué des HEMTs à canal AlGaN avec un contact drain hybride ohmique/Schottky, obtenant une tension de claquage record de plus de 2200 V. Xiao et al. ont proposé des hétérostructures à canal AlGaN avec une mobilité 2DEG élevée de 807 cm²/V·s, rapportant des records de courant de drain maximal et ratio I_on/I_off. Par la suite, Xiao et al. ont proposé pour la première fois des HEMTs normalement fermés avec canal AlGaN en super-réseau, avec tension de claquage > 2000 V, densité de courant passant élevée de 768 mA/mm, et tension de seuil (V_T) de 1,0 V. Récemment, Baca et al. ont évalué la performance radiofréquence (RF) des HEMTs à canal AlGaN avec grille de 80 nm. f_T de 28,4 GHz et f_MAX de 18,5 GHz déterminés par mesures S-paramètres petits signaux. Ces résultats illustrent la promesse des HEMTs à canal AlGaN pour applications RF de puissance.

Cependant, les limitations des dispositifs à canal AlGaN précédemment rapportés sont tout aussi évidentes. D'une part, en raison de l'effet de diffusion par désordre d'alliage ternaire, la mobilité 2DEG dans le canal AlGaN est bien inférieure à celle du canal GaN. En conséquence, la capacité de courant des dispositifs à canal AlGaN est bien inférieure à celle des dispositifs traditionnels à canal GaN. D'autre part, pour induire la même quantité de 2DEG dans le canal AlGaN, la composante AlN dans la couche barrière AlGaN doit être plus élevée que dans les hétérostructures conventionnelles à canal GaN, augmentant les difficultés de croissance材料. Ces contradictions inhibent sérieusement l'application généralisée des dispositifs à canal AlGaN, et les optimisations de la disposition d'hétérostructure sont urgentes.

La technique double canal est une approche intrigante pour promouvoir la densité de porteurs de canal des hétérostructures à base de nitrures sans impact négatif sur la mobilité électronique, améliorant la capacité de conduction des dispositifs. Cependant, peu de rapports existent sur les hétérostructures ou dispositifs électroniques AlGaN double canal. Dans ce travail, pour la première fois, une hétérostructure AlGaN double canal est proposée et cultivée pour résoudre les contradictions entre capacité de courant et performance de claquage des dispositifs électroniques à base de nitrures. De plus, des HEMTs AlGaN double canal haute performance basés sur cette nouvelle hétérostructure sont fabriqués et étudiés en détail.

Méthodes

Le schéma transversal de l'hétérostructure AlGaN double canal est montré Fig. 1a, et les processus de croissance se résument ainsi. Premièrement, 1600 nm de couche tampon GaN cultivés sur substrat saphir. Ensuite, 500 nm de couche tampon AlGaN gradée avec composition AlN croissant de 0 à 10 %, bénéfique pour supprimer la formation de canal parasite. Puis, 100 nm canal AlGaN inférieur, 1 nm intercouche AlN, et 23 nm barrière AlGaN inférieure cultivés successivement, compositions AlN dans canal et barrière : 10 % et 31 % respectivement. Finalement, 30 nm canal AlGaN supérieur, 1 nm intercouche AlN, et 23 nm barrière AlGaN supérieure cultivés, compositions identiques aux couches inférieures. Le diagramme de bande de conduction de l'hétérostructure AlGaN double canal peut être calculé en résolvant auto-cohérentement l'équation Poisson-Schrödinger unidimensionnelle, employant la méthode des différences finies avec maillage non uniforme. Le diagramme de bande et la distribution de densité électronique extraite sont illustrés Fig. 2a, résultats de l'hétérostructure AlGaN simple canal Fig. 2b pour comparaison. Deux puits de potentiel profonds se forment à l'interface des intercouches AlN et couches canal Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N pour l'hétérostructure double canal, correspondant aux doubles canaux 2DEG. On observe que la densité 2DEG dans le canal supérieur est plus élevée que dans le canal inférieur, explicable par deux aspects : (1) la barrière AlGaN inférieure agit comme barrière arrière du canal supérieur, favorisant le confinement 2DEG du canal supérieur ; (2) la source principale d'alimentation du 2DEG de canal dans les hétérostructures nitrures est les états de surface donneurs, plus proches du canal supérieur.

Résultats et discussion

La figure 3 montre le résultat de diffraction X haute résolution (HRXRD) ω-2θ de l'hétérostructure AlGaN double canal par réflexion symétrique (0004). L'intensité de diffraction de la couche de nucléation AlN, tampon GaN, tampon AlGaN gradé, canal AlGaN et barrière AlGaN est observable. Le balayage spectral de 71,0 à 73,2° est présenté Fig. 2b avec grossissement, fonction de Lorentz ajustant les multi-pics. Les pics de diffraction du tampon GaN, canal AlGaN et barrière AlGaN se situent à 71,6°, 72,2° et 72,8°, le tampon AlGaN gradé résultant en un plateau entre pics GaN et canal AlGaN. Ces résultats indiquent la structure multi-couche distincte et le contrôle sophistiqué du processus de croissance, les compositions AlN de 10 % et 31 % dans canal et barrière AlGaN pouvant être extraites.

La mesure capacité-tension (C-V) avec configuration sonde mercure a été réalisée pour étudier les caractéristiques double canal. Comme montré en encart Fig. 4, deux marches de capacitances distinctes observées vers -2,5 V et -10 V avec tension appliquée balayée 0 à -15 V, correspondant à l'appauvrissement du 2DEG aux interfaces AlN/Al₀.₁₀Ga₀.₉₀. Les propriétés de distribution des porteurs peuvent être extraites de la courbe C-V, résultat Fig. 4. Deux pics de concentration de porteurs à 24 et 78 nm avec valeurs 6,1 × 10¹⁹ et 2,5 × 10¹⁹ cm⁻³, conformes au calcul Fig. 2. Spécialement, aucun canal de conduction parasite observable jusqu'à profondeur test 1 μm, suggérant la réussite des propriétés double canal. De plus, densité de feuillet 2DEG et mobilité déterminées à 1,3 × 10¹³ cm⁻² et 1130 cm²/V·s par effet Hall.

Le processus de fabrication standard HEMTs a été réalisé sur l'hétérostructure AlGaN double canal. Contact ohmiques par empilement multicouche Ti/Al/Ni/Au déposé par évaporation faisceau d'électrons, recuit thermique rapide 850 °C 30 s sous N₂. Isolation mésa par gravure plasma couplé inductivement Cl₂/BCl₃ à profondeur 200 nm, couche passivation SiN 100 nm par dépôt chimique en phase vapeur plasma-amélioré. Zone grille longueur (L_G) 0,8 μm définie par photolithographie après gravure SiN supérieur plasma CF₄, puis électrode grille Schottky Ni/Au déposée. Distances grille-source (L_GS) et grille-drain (L_GD) : 0,8 et 1 μm. Pour comparaison, deux échantillons HEMTs additionnels basés sur hétérostructures AlGaN simple canal et GaN double canal conventionnels fabriqués, schémas transversaux Fig. 1b, c. Processus dispositif et paramètres caractéristiques identiques aux HEMTs AlGaN double canal. Propriétés sortie et transfert mesurées par analyseur paramètres semi-conducteurs Keithley 4200, caractéristiques claquage par système analyseur semi-conducteurs haute tension Agilent B1505A.

Les caractéristiques de sortie typiques des HEMTs sont illustrées Fig. 5, V_GS et V_DS balayés 0~-10 V et 0~10 V. I_max et résistance différentielle passante (R_on) de l'échantillon AlGaN simple canal : 265,3 mA/mm et 27,1 Ω·mm, conformes aux rapports antérieurs, suggérant la déficience des HEMTs canal AlGaN en capacité de courant. Pour les HEMTs AlGaN double canal, I_max augmente dramatiquement à 473 mA/mm, 1,8 fois plus que HEMTs AlGaN simple canal. Nous attribuons l'amélioration aux propriétés de transport supérieures de l'hétérostructure double canal. D'une part, la structure double canal possède deux puits de potentiel verticalement, augmentant la capacité de stockage des porteurs du canal de conduction AlGaN. D'autre part, bien que la densité totale de porteurs de canal augmente, la densité électronique moyenne par canal diminue, supprimant l'effet de diffusion porteur-porteur et élevant la mobilité électronique de canal. Cependant, R_on des HEMTs AlGaN double canal est 12,5 Ω·mm, encore plus grand que HEMTs GaN double canal. Ce phénomène lié à la grande hauteur de barrière de contact des couches barrière AlGaN, composition AlN 31 %. En raison de l'auto-échauffement par dissipation haute puissance, l'effet de résistance différentielle négative observé pour HEMTs GaN double canal quand V_GS > -4 V et V_DS > 6 V. Néanmoins, pour HEMTs canal AlGaN (simple et double canal), cet effet est significativement supprimé, manifestant la performance supérieure des HEMTs canal AlGaN en conditions température élevée.

La figure 6 illustre les propriétés de transfert typiques avec V_DS 10 V. HEMTs AlGaN simple canal : tension seuil (V_T) -3,8 V, transconductance extrinsèque maximale (G_m,max) inférieure 80,5 mS/mm près V_GS = -1,5 V. Pour HEMTs AlGaN double canal et GaN double canal, V_T diminue remarquablement à -9,2 et -11,2 V, résultant de la haute densité de porteurs de canal et distance relativement longue électrode grille au canal 2DEG inférieur. Le V_T élevé peut entraîner pertes de puissance élevées à l'état bloqué, améliorable par optimisation paramètres croissance structures double canal, comme réduction épaisseur barrière et canal supérieur. Spécialement, caractéristiques double bosse observées sur courbes transconductance HEMTs AlGaN double canal et GaN double canal. Pour HEMTs AlGaN double canal, deux valeurs pic 97,9 et 42,5 mS/mm extraites à V_G = -1,0 et -6,0 V. Sous-pic atteint 43 % de G_m,max, indiquant capacité contrôle grille décente et linéarité des HEMTs AlGaN double canal. De plus, basé sur notre recherche antérieure, résultats peuvent être améliorés par modulation paramètres structure, comme épaisseur et composition canaux AlGaN double, effet couplage entre canaux double et linéarité dispositif améliorés.

Les caractéristiques de claquage état bloqué des HEMTs basés sur différentes hétérostructures mesurées Fig. 7. V_b défini par critère courant fuite 5 μA/mm. Les trois échantillons présentent caractéristiques claquage dur, performance claquage HEMTs canal AlGaN évidemment meilleure que HEMTs canal GaN. V_b des HEMTs AlGaN double canal : 143,5 V, plus de deux fois supérieur aux HEMTs GaN double canal. Considérant L_GD = 1 μm, V_b,standard (V_b/L_GD) atteint 143,5 V/μm pour HEMTs AlGaN double canal. I_max et V_b,standard des HEMTs AlGaN double canal de ce travail comparés aux HEMTs canal GaN et AlGaN rapportés par autres groupes Fig. 8, résultats mode déplétion (DM) et mode enrichissement (EM) distingués. Indices principaux HEMTs canal AlGaN (hétérostructures) rapports antérieurs et ce travail résumés Tableau 1. Comme Fig. 8, performance claquage HEMTs canal AlGaN généralement meilleure que HEMTs canal GaN, avec détérioration I_max. Notablement, I_max HEMTs AlGaN double canal ce travail comparable à la plupart résultats HEMTs canal GaN. De plus, I_max ce travail obtenu à V_GS = 0 V, conservatif et améliorable par tension grille positive. Ces résultats démontrent convaincament le potentiel énorme des HEMTs AlGaN double canal en applications dispositifs micro-ondes puissance.

Conclusions

En résumé, hétérostructure AlGaN double canal proposée pour fabriquer HEMTs haute performance. Propriétés transport supérieures révélées, menant à capacité courant améliorée des HEMTs. Excellente performance claquage HEMTs AlGaN double canal démontrée. Résultats montrent grand potentiel dispositifs AlGaN double canal en applications micro-ondes puissance futures.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données générées ou analysées pendant cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'information supplémentaires.

Abréviations

MOCVD :

Dépôt chimique en phase vapeur organométallique

HEMTs :

Transistors à haute mobilité électronique

2DEG :

Gaz d'électrons bidimensionnel

I_max :

Densité de courant de drain maximale

V_b :

Tension de claquage

V_T :

Tension de seuil

RF :

Radiofréquence

HRXRD :

Diffraction X haute résolution

C-V :

Capacité-tension

L_G :

Longueur grille

L_GS :

Distance grille-source

L_GD :

Distance grille-drain

R_on :

Résistance passante

G_m :

Transconductance

DM :

Mode déplétion

EM :

Mode enrichissement