AlGaN-Doppelkanal-HEMTs: Höhere Drainstromdichte und überlegene Durchbruchsspannung

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird eine AlGaN-Doppelkanal-Heterostruktur vorgeschlagen und durch Metallorganische Chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) gezüchtet; hochleistungsfähige AlGaN-Doppelkanal-High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) werden gefertigt und untersucht. Die Implementierung der Doppelkanal-Struktur verbessert die Transporteigenschaften von AlGaN-Kanal-Heterostrukturen effektiv. Einerseits wird die Gesamtdichte des zweidimensionalen Elektronengases (2DEG) durch die doppelten Potenzialmulden in vertikaler Richtung und die verstärkte Träger-Einschluss erhöht. Andererseits wird die durchschnittliche 2DEG-Dichte in jedem Kanal reduziert, und die Mobilität steigt durch Unterdrückung des Träger-Träger-Streuungseffekts. Als Ergebnis erreicht die maximale Drainstromdichte (I_max) der AlGaN-Doppelkanal-HEMTs 473 mA/mm bei einer Gate-Spannung von 0 V. Zudem wird die überlegene Durchbruchsleistung der AlGaN-Doppelkanal-HEMTs demonstriert. Diese Ergebnisse zeigen nicht nur das große Anwendungspotenzial von AlGaN-Doppelkanal-HEMTs in der Mikrowellen-Leistungselektronik, sondern eröffnen auch neue Denkansätze für die Untersuchung von Grupp-III-Nitrid-basierten elektronischen Bauelementen.

Einleitung

Grupp-III-Nitrid-basierte High-Electron-Mobility-Transistoren (HEMTs) gelten als vielversprechendste Kandidaten für die nächste Generation der Mikrowellen-Leistungselektronik aufgrund ihrer schnellen Schaltgeschwindigkeit und niedrigen Schaltverluste [1–5]. Kürzlich erreichten die fortschrittlichsten Nitrid-HEMTs eine initiale Kommerzialisierung bis 650 V. Mit der Reife der Bauelementfertigungstechnologie wird es jedoch zunehmend schwieriger, die Durchbruchsspannungen (V_b) weiter zu steigern und die Bauelementzuverlässigkeit bei hohen Temperaturen zu verbessern. Daher wurden AlGaN-Kanal-Bauelemente aufgrund der größeren Bandlücke und überlegenen thermischen Stabilität von AlGaN gegenüber GaN als vielversprechende Kandidaten vorgeschlagen, um die Leistungsgrenzen von Nitrid-HEMTs in Hochspannungs- und Hochtemperaturanwendungen weiter zu verbessern [6–15].

Nanjo et al. demonstrierten die bemerkenswerte Durchbruchsspannungssteigerung von AlGaN-Kanal-HEMTs; die erzielten maximalen Durchbruchsspannungen betrugen 1650 V in Al₀.₅₃Ga₀.₄₇N/Al₀.₃₈Ga₀.₆₂N HEMTs mit Gate-Drain-Abständen von 10 µm [6]. Anschließend steigerten Nanjo et al. die Durchbruchsspannung von Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N/Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N HEMTs auf 1700 V [8]. Zhang et al. fertigten AlGaN-Kanal-HEMTs mit einem neuartigen ohmschen/Schottky-Hybrid-Drain-Kontakt an und erzielten einen Rekord-Durchbruchsspannung von über 2200 V für AlGaN-Kanal-HEMTs [11]. Xiao et al. schlugen AlGaN-Kanal-Heterostrukturen mit hoher 2DEG-Mobilität von 807 cm²/V·s vor und berichteten Rekorde für maximalen Drainstrom und I_on/I_off-Verhältnis der gefertigten AlGaN-Kanal-HEMTs [14]. Später schlugen Xiao et al. erstmals normalerweise aus (normally-off) HEMTs mit Supergitter-AlGaN-Kanalschicht vor; die gefertigten Bauelemente zeigten eine Durchbruchsspannung über 2000 V, eine hohe Ein-Stromdichte von 768 mA/mm und eine Schwellenspannung (V_T) von 1,0 V [15]. Kürzlich evaluierten Baca et al. die Hochfrequenz (RF)-Leistung von AlGaN-Kanal-HEMTs mit 80 nm Gate-Länge. f_T von 28,4 GHz und f_MAX von 18,5 GHz wurden aus Kleinsignal-S-Parameter-Messungen bestimmt [12]. Diese Ergebnisse illustrieren das Versprechen von AlGaN-Kanal-HEMTs für RF-Leistungsanwendungen.

Die Limitationen der bisher berichteten AlGaN-Kanal-Bauelemente sind jedoch ebenso offensichtlich. Einerseits ist die 2DEG-Mobilität im AlGaN-Kanal aufgrund des ternären Legierungs-Unordnungsstreuungseffekts viel niedriger als im GaN-Kanal. Folglich ist die Stromtreibfähigkeit von AlGaN-Kanal-Bauelementen viel geringer als die von herkömmlichen GaN-Kanal-Bauelementen. Andererseits muss, um die gleiche Menge an 2DEG im AlGaN-Kanal zu induzieren, der AlN-Anteil in der AlGaN-Barriereschicht höher sein als in konventionellen GaN-Kanal-Heterostrukturen, was die Schwierigkeiten im Materialwachstumsprozess erhöht. Diese Widersprüche hemmen die breite Anwendung von AlGaN-Kanal-Bauelementen ernsthaft, und Optimierungen des Heterostruktur-Layouts sind dringend erforderlich.

Die Doppelkanal-Technik ist ein faszinierender Ansatz, um die Kanalladungsträgerdichte von nitridbasierten Heterostrukturen zu erhöhen, ohne nachteilige Auswirkungen auf die Elektronenmobilität; die Stromleitfähigkeit der Bauelemente wird verbessert [16–18]. Bisher gab es jedoch wenige Berichte über AlGaN-Doppelkanal-Heterostrukturen oder Elektronenbauelemente. In dieser Arbeit wird erstmals eine AlGaN-Doppelkanal-Heterostruktur vorgeschlagen und gezüchtet, um die Widersprüche zwischen Stromtreibfähigkeit und Durchbruchsleistung nitridbasierter Elektronenbauelemente aufzulösen. Weiterhin werden hochleistungsfähige AlGaN-Doppelkanal-HEMTs basierend auf der neuartigen Heterostruktur gefertigt und detailliert untersucht.

Methoden

Der Querschnittsschemata der AlGaN-Doppelkanal-Heterostruktur ist in Abb. 1a dargestellt, und die Wachstumsprozesse lassen sich wie folgt zusammenfassen. Zunächst wurde eine 1600 nm GaN-Pufferschicht auf dem Saphir-Substrat gezüchtet. Dann wurde eine 500 nm graduierte AlGaN-Pufferschicht mit AlN-Zusammensetzung, die von 0 auf 10 % ansteigt, gezüchtet, was die Bildung parasitärer Kanäle unterdrückt. Daraufhin wurden 100 nm unterer AlGaN-Kanal, 1 nm AlN-Zwischenschicht und 23 nm untere AlGaN-Barriere nacheinander gezüchtet; die AlN-Zusammensetzungen in Kanal- und Barriereschichten betragen 10 % bzw. 31 %. Schließlich wurden 30 nm oberer AlGaN-Kanal, 1 nm AlN-Zwischenschicht und 23 nm obere AlGaN-Barriere gezüchtet, wobei die Zusammensetzungen denen der unteren Schichten entsprechen. Das Leitungsbanddiagramm der AlGaN-Doppelkanal-Heterostruktur kann durch selbstkonsistente Lösung der eindimensionalen Poisson-Schrödinger-Gleichung berechnet werden, die die Finite-Differenzen-Methode mit nicht-uniformer Maschenweite einsetzt [19]. Das Leitungsbanddiagramm und die extrahierte Elektronendichteverteilung der AlGaN-Doppelkanal-Heterostruktur sind in Abb. 2a illustriert; die Ergebnisse der AlGaN-Einzelkanal-Heterostruktur sind in Abb. 2b zum Vergleich angegeben. Zwei tiefe Potenzialmulden bilden sich an der Grenzfläche der AlN-Zwischenschichten und Al₀.₁₀Ga₀.₉₀N-Kanalschichten für die AlGaN-Doppelkanal-Heterostruktur, entsprechend den doppelten 2DEG-Kanälen. Zudem ist zu beobachten, dass die 2DEG-Dichte im oberen Kanal höher ist als im unteren Kanal, was sich aus zwei Aspekten erklären lässt: Einerseits wirkt die untere AlGaN-Barriere als Rückbarriere des oberen Kanals, was die 2DEG-Einschließung des oberen Kanals fördert. Andererseits ist die Hauptversorgungsquelle des Kanal-2DEG in Nitrid-Heterostrukturen donatorische Oberflächenzustände [20], die dem oberen Kanal näher sind.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 3 zeigt das hochauflösende Röntgenbeugungs-(HRXRD) ω-2θ-Scan-Ergebnis der AlGaN-Doppelkanal-Heterostruktur aus symmetrischer (0004) Reflexion. Die Beugungsintensitäten von AlN-Nukleationsschicht, GaN-Puffer, AlGaN-graduiertem Puffer, AlGaN-Kanal und AlGaN-Barriere sind beobachtbar. Zudem wird der Spektralscan von 71,0 bis 73,2° in Abb. 2b mit Vergrößerung für Klarheit dargestellt, und eine Lorentz-Funktion wird zur Anpassung der Multi-Peaks angewendet. Die Beugungspeaks von GaN-Puffer, AlGaN-Kanal und AlGaN-Barriere liegen bei 71,6°, 72,2° und 72,8°, und der AlGaN-graduierte Puffer resultiert in einem Plateau zwischen den Peaks von GaN-Puffer und AlGaN-Kanal. Diese Ergebnisse zeigen die distinkte Mehrschichtstruktur und die anspruchsvolle Kontrolle des Wachstumsprozesses; die AlN-Zusammensetzungen von 10 % und 31 % in AlGaN-Kanal und -Barriere können extrahiert werden.

Kapazitäts-Spannungs-(C-V)-Messung mit Quecksilber-Sonden-Konfiguration wurde durchgeführt, um die Doppelkanal-Eigenschaften der Heterostruktur zu untersuchen. Wie im Inset von Abb. 4 gezeigt, können zwei distinkte Kapazitätssprünge bei ca. −2,5 V und −10 V bei Spannungssweep von 0 bis −15 V beobachtet werden, entsprechend der Depletion des 2DEG an den AlN/Al₀.₁₀Ga₀.₉₀-Grenzflächen. Zusätzlich können die Trägerverteilungseigenschaften aus der C-V-Kurve extrahiert werden, das Ergebnis ist in Abb. 4 illustriert. Zwei Trägerkonzentrationspeaks liegen bei 24 und 78 nm mit Werten von 6,1 × 10¹⁹ und 2,5 × 10¹⁹ cm⁻³, was mit dem berechneten Ergebnis (Abb. 2) übereinstimmt. Speziell kann kein parasitärer Leitungskanal beobachtet werden, bis die Testtiefe 1 µm erreicht, was den erfolgreichen Erhalt der Doppelkanal-Eigenschaften der Heterostruktur suggeriert. Zusätzlich wurden die 2DEG-Flächenladungsdichte und Mobilität durch Hall-Effekt-Messung auf 1,3 × 10¹³ cm⁻² bzw. 1130 cm²/V·s bestimmt.

Der Standard-HEMT-Fertigungsprozess wurde auf der AlGaN-Doppelkanal-Heterostruktur durchgeführt. Der Prozess begann mit ohmschem Kontakt durch Ti/Al/Ni/Au-Mehrschicht-Metallstapel, abgeschieden durch Elektronenstrahlverdampfung, gefolgt von schnellem thermischem Ausglühen bei 850 °C für 30 s in N₂-Atmosphäre. Dann wurde Mesa-Isolation durch Cl₂/BCl₃ induktiv gekoppeltes Plasma-Ätzen auf 200 nm Tiefe durchgeführt, und eine 100 nm dicke SiN-Passivierungsschicht wurde durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung gebildet. Anschließend wurde ein Gate-Bereich mit Länge (L_G) von 0,8 µm durch Photolithographie nach Ätzen des oberen SiN mit CF₄-Plasma definiert, und ein Ni/Au-Schottky-Gate-Elektrode wurde abgeschieden. Gate-Source (L_GS) und Gate-Drain (L_GD) Abstände betragen 0,8 bzw. 1 µm. Zum Vergleich wurden zwei zusätzliche HEMT-Proben basierend auf konventionellen AlGaN-Einzelkanal- und GaN-Doppelkanal-Heterostrukturen gefertigt; die Querschnittsschemata sind in Abb. 1b und c gezeigt. Der Bauelementprozess und die charakteristischen Parameter der zusätzlichen HEMT-Proben sind identisch mit den AlGaN-Doppelkanal-HEMTs. Die Ausgabe- und Transfer-Eigenschaften der Bauelemente wurden mit einem Keithley 4200 Halbleiter-Parameteranalysator gemessen, und die Durchbruchseigenschaften mit einem Agilent B1505A Hochspannungs-Halbleiter-Analysatorsystem.

Die typischen Ausgabe-Kennlinien der HEMTs sind in Abb. 5 illustriert, wobei V_GS und V_DS von 0 bis −10 V bzw. 0 bis 10 V gesweept wurden. Die maximale Drainstromdichte (I_max) und der differentielle Ein-Widerstand (R_on) der AlGaN-Einzelkanal-Probe betragen 265,3 mA/mm bzw. 27,1 Ω·mm. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Berichten überein und deuten auf die Defizite von AlGaN-Kanal-HEMTs in der Stromtreibfähigkeit hin. Für die AlGaN-Doppelkanal-HEMTs steigt I_max dramatisch auf 473 mA/mm an, was 1,8-mal höher ist als bei AlGaN-Einzelkanal-HEMTs. Wir führen die Verbesserung von I_max auf die überlegenen Transporteigenschaften der AlGaN-Doppelkanal-Heterostruktur zurück. Einerseits besitzt die Doppelkanalstruktur zwei Potenzialmulden in vertikaler Richtung, was die Träger-Speicherkapazität des AlGaN-Leitungskanals fördert. Andererseits wird zwar die Gesamtkanal-Ladungsträgerdichte erhöht, die durchschnittliche Elektronendichte in jedem Kanal jedoch reduziert. Dadurch wird der Träger-Träger-Streuungseffekt unterdrückt und die Kanalelektronenmobilität erhöht. Allerdings ist der R_on der AlGaN-Doppelkanal-HEMTs mit 12,5 Ω·mm noch größer als der der GaN-Doppelkanal-HEMTs. Dies hängt mit der großen Kontaktbarriehöhe der AlGaN-Barriereschichten zusammen, deren AlN-Zusammensetzung 31 % beträgt. Aufgrund des Selbstheizeffekts durch hohe Leistungsdissipation kann ein negativer Differenzialwiderstandseffekt bei GaN-Doppelkanal-HEMTs beobachtet werden, wenn V_GS > −4 V und V_DS > 6 V. Für AlGaN-Kanal-HEMTs (sowohl Einzel- als auch Doppelkanal) wird dieser negative Differenzialwiderstandseffekt jedoch signifikant unterdrückt, was die überlegene Leistung von AlGaN-Kanal-HEMTs bei erhöhten Temperaturen manifestiert.

Abbildung 6 illustriert die typischen Transfer-Kennlinien der HEMTs mit V_DS = 10 V. Die AlGaN-Einzelkanal-HEMTs zeigen eine Schwellenspannung (V_T) von −3,8 V, zusammen mit einer inferioren Spitzen-Extrinsik-Transkonduktanz (G_m,max) von 80,5 mS/mm in der Nähe von V_GS = −1,5 V. Für AlGaN-Doppelkanal- und GaN-Doppelkanal-HEMTs sinkt V_T bemerkenswert auf −9,2 V bzw. −11,2 V, resultierend aus der hohen Kanalladungsträgerdichte und dem relativ großen Abstand vom Gate-Elektrode zum unteren 2DEG-Kanal. Die hohe V_T kann zu hohem Leistungsverlust im Aus-Zustand führen; dieses Problem kann durch weitere Optimierung der Wachstumsparameter von Doppelkanalstrukturen verbessert werden, z. B. durch angemessene Reduzierung der Dicke von Barriere- und oberen Kanalschichten. Speziell können Doppelbuckel-Charakteristiken in den Transkonduktanzkurven von AlGaN-Doppelkanal- und GaN-Doppelkanal-HEMTs beobachtet werden. Für AlGaN-Doppelkanal-HEMTs können zwei Spitzenwerte von 97,9 und 42,5 mS/mm bei V_G = −1,0 V und −6,0 V extrahiert werden. Der Sub-Peak-Wert erreicht 43 % des G_m,max, was die annehmbare Gate-Kontrollfähigkeit und Linearität der AlGaN-Doppelkanal-HEMTs anzeigt. Basierend auf unseren früheren Forschungsergebnissen [21] können die Resultate durch Modulation der Strukturparameter, wie Dicke und Zusammensetzung der AlGaN-Doppelkanäle, weiter verbessert werden, und der Kopplungseffekt zwischen den Doppelkanälen und die Bauelementlinearität können verstärkt werden.

Die Aus-Zustand-Durchbruchseigenschaften der HEMTs basierend auf verschiedenen Heterostrukturen werden gemessen und in Abb. 7 gezeigt. V_b wird durch das Kriterium definiert, dass der Leckstrom 5 µA/mm erreicht. Es ist zu beobachten, dass alle drei Proben harte Durchbruchscharakteristiken aufweisen, und die Durchbruchsleistung von AlGaN-Kanal-HEMTs ist offensichtlich besser als die von GaN-Kanal-HEMTs. V_b der AlGaN-Doppelkanal-HEMTs beträgt 143,5 V, mehr als doppelt so hoch wie bei GaN-Doppelkanal-HEMTs. Berücksichtigt man L_GD = 1 µm, beträgt V_b,standard (definiert als V_b/L_GD) für AlGaN-Doppelkanal-HEMTs 143,5 V/µm. Die I_max- und V_b,standard-Ergebnisse der AlGaN-Doppelkanal-HEMTs dieser Arbeit werden in Abb. 8 mit GaN-Kanal- und AlGaN-Kanal-HEMTs anderer Gruppen verglichen; Ergebnisse von Depletion-Mode (DM) und Enhancement-Mode (EM) Bauelementen werden unterschieden. Zusätzlich werden die Kernindizes der AlGaN-Kanal-HEMTs (Heterostrukturen) in früheren Berichten und dieser Arbeit in Tabelle 1 zusammengefasst. Wie Abb. 8 zeigt, ist die Durchbruchsleistung von AlGaN-Kanal-HEMTs generell besser als die von GaN-Kanal-HEMTs, einhergehend mit Verschlechterung von I_max. Bemerkenswert ist, dass der I_max der AlGaN-Doppelkanal-Struktur in dieser Arbeit mit den meisten Ergebnissen von GaN-Kanal-HEMTs vergleichbar ist. Zudem ist zu beachten, dass der I_max-Wert in dieser Arbeit bei V_GS = 0 V ermittelt wurde, was konservativ ist und durch Anlegen positiver Gate-Spannung weiter verbessert werden kann. Daher demonstrieren diese Ergebnisse überzeugend das enorme Potenzial von AlGaN-Doppelkanal-HEMTs in Mikrowellen-Leistungsbauelement-Anwendungen.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wird eine AlGaN-Doppelkanal-Heterostruktur zur Fertigung hochleistungsfähiger HEMTs vorgeschlagen. Die überlegenen Transporteigenschaften der AlGaN-Doppelkanal-Heterostruktur werden enthüllt, was zu verbesserter Stromtreibfähigkeit der HEMTs führt. Zudem wird die exzellente Durchbruchsleistung der AlGaN-Doppelkanal-HEMTs demonstriert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen das große Potenzial von AlGaN-Doppelkanal-Bauelementen in zukünftigen Mikrowellen-Leistungsanwendungen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

Abkürzungen

MOCVD:

Metallorganische Chemische Gasphasenabscheidung

HEMTs:

High Electron Mobility Transistoren

2DEG:

Zweidimensionales Elektronengas

I_max:

Maximale Drainstromdichte

V_b:

Durchbruchsspannung

V_T:

Schwellenspannung

RF:

Radiofrequenz

HRXRD:

Hochauflösende Röntgenbeugung

C-V:

Kapazitäts-Spannung

L_G:

Gate-Länge

L_GS:

Gate-Source-Abstand

L_GD:

Gate-Drain-Abstand

R_on:

Ein-Widerstand

G_m:

Transkonduktanz

DM:

Depletion-Mode

EM:

Enhancement-Mode