Via-Längen-Modulation ermöglicht Normalerweise-Aus GaN HEMTs mit 300 nm Kanälen

Zusammenfassung

Wir berichten über einen Durchbruch bei normalerweise-aus AlGaN/GaN High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) durch Kontrolle der Via-Länge in einer Multi-Mesa-Kanal (MMC) Architektur. Enhancement-Mode (E-Mode) Geräte mit Kanalbreiten bis zu 300 nm wurden gefertigt, die positive Schwellenspannungen von +0,79 V (100 nm / 2 µm) und +0,46 V (300 nm / 6 µm) demonstrieren. Diese Geräte zeigen geringere On-Widerstände als konventionelle Tri-Gate-Nanoband-HEMTs, während sie hohen Drain-Strom und verbesserte thermische Stabilität beibehalten. Die Via-Länge regelt Surface-Pinning und laterale Depletion, was skalierbare normalerweise-aus GaN-Leistungselektronik ermöglicht.

Hintergrund

III-V-Weitbandlücken-Nitride bieten unvergleichliche Leistung für Hochfrequenz- und Hochspannungsanwendungen aufgrund ihrer großen Bandlücken, hohen kritischen Felder und hohen Elektronensättigungsgeschwindigkeiten. AlGaN/GaN-Heterostrukturen bilden 2-DEG-Kanäle, die Hochleistungs-Transistoren zugrunde liegen, doch ihr inhärentes Depletion-Mode (D-Mode) Verhalten erfordert komplexe Schaltungen für digitale, HF- und Leistungsanwendungen. Konventionelle Strategien zur Induktion von normalerweise-aus Betrieb – versenkte Gates, p-Typ-Kappen, Tunnelverbindungen, Ionenimplantation oder Rapid-Thermal-Annealing – degradieren oft die Geräteausbeute oder führen zu Zuverlässigkeitsproblemen.

Jüngste Fin-Nanostrukturen haben gezeigt, dass die Reduzierung der Kanalbreite unter ~100 nm die Schwellenspannung (Vth) positiv verschiebt, aufgrund von Seitenwand-Surface-Pinning und Spannungsrelaxation. Allerdings bleibt das Erreichen niedriger On-Widerstände (Ron) mit sub-100 nm Kanälen herausfordernd, da Gate-Breiten-Skalierung Leckage und Transkonduktanz negativ beeinflusst. Unsere Arbeit adressiert dies, indem sie eine Tri-Gate MMC-Struktur mit einstellbaren Via-Längen integriert, um gleichzeitig E-Mode-Betrieb, niedrigen Ron und robuste thermische Leistung zu erreichen.

Methoden

Der AlGaN/GaN-Epitaxieschicht wurde auf c-Ebene Saphir durch MOCVD (Nippon Sanso SR-2000) gezüchtet. Eine 600 °C GaN-Nukleationsschicht wurde gefolgt von einem 2 µm unabsichtlich dotierten GaN-Buffer, einer 21,8 nm unabsichtlich dotierten AlGaN-Barriere (23 % Al) und einer 2 nm GaN-Kappe, alle bei 1180 °C abgeschieden. Mesa-Isolierung und periodisches Gräbenätzen wurden durch ICP-RIE (BCl₃/Cl₂) durchgeführt. Nach dem Ätzen wurde die Kristallographie durch geschmolzenes KOH für Seitenwand-Glättung wiederhergestellt, und Piranha-Lösung entfernte Organika. Photolithografie definierte Source, Drain, Gate und Kontaktpads. Ohmsche Kontakte (Ti/Al/Ni/Au 30/120/20/80 nm) wurden bei 850 °C für 30 s unter Vakuum geglüht; Gate-Elektroden waren Ni/Au 20/80 nm. Geräteabmessungen: Gatelänge 2 µm, MMC-Breite 100–500 nm, Via-Länge 1–6 µm, Höhe 130 nm. Keine Passivierung wurde auf die Via-Länge angewendet, um Surface-Pinning-Effekte zu erhalten.

Ergebnisse und Diskussion

Die meisten GaN HEMTs bleiben D-Mode aufgrund der inhärenten 2-DEG. Das Erreichen von normalerweise-aus Betrieb erfordert präzise Kontrolle der Oberflächen-Depletion und Gate-Kontrolle. Die Seitenwand-Dangling-Bonds (~10¹⁵ cm⁻²) erzeugen ein Surface-Pinning-Feld, das den Kanal lateral depletiert. In unserem Tri-Gate MMC diktiert die Via-Länge das Ausmaß dieser Depletion.

Abbildung 3a zeigt die laterale Depletion um die Seitenwände. Transfercharakteristiken (Abbildung 3b) für L_MMC = 2 µm und W_MMC = 100, 300, 500 nm zeigen Vth von +0,79, –1,32 und –2,18 V bei V_DS = 8 V, was den positiven Verschiebung mit reduzierter Breite bestätigt. Der Effekt entsteht durch kombinierte laterale Depletion und Via-Längen-Oberflächenbiegung.

Durch Variation von L_MMC bei festem W_MMC = 300 nm (Abbildung 4) erhielten wir Vth von –2,12, –1,07 und +0,46 V für L_MMC = 1, 2 und 6 µm, jeweils. Das 6 µm L_MMC Gerät erreicht E-Mode-Betrieb. Tabelle 1 fasst die Abhängigkeit von Vth, I_DSsat und g_m von sowohl W_MMC als auch L_MMC zusammen. Bemerkenswert verschiebt die Erhöhung von L_MMC von 0,8 auf 6 µm Vth von negativ zu positiv, während I_DSsat und g_m reduziert werden – ein erwarteter Trade-off, der für Leistungsanwendungen akzeptabel ist, wo niedriger Ron kritisch ist.

Im Vergleich zum Stand der Technik zeigen unsere E-Mode-Geräte deutlich niedrigeren Ron bei Beibehaltung akzeptablen Drain-Stroms und Transkonduktanz, dank des konstruierten Surface-Pinning und der Tri-Gate-Geometrie. Thermische Messungen bestätigen reduzierte Joule-Erwärmung aufgrund verteiltem Stromfluss.

Schlussfolgerungen

Wir haben demonstriert, dass Via-Längen-Modulation in einem Multi-Mesa-Kanal GaN HEMT normalerweise-aus Betrieb mit Kanalbreiten bis zu 300 nm ermöglicht. Geräte mit W_MMC = 300 nm und L_MMC = 6 µm liefern Vth = +0,46 V, niedrigen Ron und verbesserte Leistungsfähigkeit, was den Weg für nächste Generation GaN-Leistungselektronik ebnet.