향상된 드레인 전류 밀도 및 높은 항복 전압을 갖춘 고성능 AlGaN 이중 채널 HEMT

결과 및 토론

그림 3은 대칭(0004) 반사에서 얻은 AlGaN 이중 채널 이종 구조의 고해상도 X선 회절(HRXRD) ω-2θ 스캔 결과를 보여줍니다. AlN 핵 생성 층, GaN 버퍼, AlGaN 등급 버퍼, AlGaN 채널 및 AlGaN 장벽 층에서 회절 강도를 관찰할 수 있습니다. 또한, 71.0에서 73.2°까지의 스펙트럼 스캔은 명확성을 위해 배율로 그림 2b에 표시되며 Lorentz 함수는 다중 피크에 맞게 적용됩니다. GaN 버퍼, AlGaN 채널 및 AlGaN 장벽의 회절 피크는 71.6°, 72.2° 및 72.8°에 있으며 AlGaN 등급 버퍼는 GaN 버퍼의 피크와 AlGaN 채널 사이의 플랫폼이 됩니다. 이러한 결과는 뚜렷한 다층 구조와 성장 과정의 정교한 제어를 나타내며 AlGaN 채널과 장벽에서 10%와 31%의 AlN 조성을 추출할 수 있습니다.

AlGaN 이중 채널 이종 구조의 HRXRD(0004) 평면 ω-2θ 스캔

이종 구조의 이중 채널 특성을 조사하기 위해 수은 프로브 구성으로 정전 용량-전압(C-V) 측정을 수행했습니다. 그림 4의 삽입도에서 볼 수 있듯이, 인가된 전압이 0에서 -15 V로 스윕된 약 -2.5 V 및 -10 V에서 두 개의 별개의 정전 용량 단계가 관찰될 수 있으며, 이는 AlN/Al0.10 Ga_0.90 인터페이스. 또한 C-V 곡선에서 캐리어 분포 특성을 추출할 수 있으며 그 결과는 그림 4에 나와 있습니다. 두 개의 캐리어 농도 피크는 24 및 78 nm에 위치하며 값은 6.1 × 10 ¹⁹ 입니다. 및 2.5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ 특히, 시험 깊이가 1 μm에 도달할 때까지 기생 전도 채널이 관찰되지 않아 이종 구조의 이중 채널 특성이 성공적으로 달성되었음을 시사한다. 또한, 2DEG 시트 밀도 및 이동도는 1.3 × 10 ¹³ 으로 결정되었습니다. cm ⁻² 및 1130 cm ² 홀 효과 측정에 의한 /V∙s.

AlGaN 이중 채널 이종 구조의 C-V 특성 및 전자 분포 곡선

표준 HEMT 제조 공정은 AlGaN 이중 채널 이종 구조에서 수행되었습니다. 소자 제조 공정은 전자빔 증발에 의해 증착된 Ti/Al/Ni/Au 다층 금속 스택으로 형성된 저항 접촉으로 시작하여 N₂에서 30초 동안 850°C에서 급속 열 어닐링이 뒤따랐습니다. 대기. 그런 다음 Cl₂에 의해 메사 분리가 수행되었습니다. /BCl₃ 200 nm 깊이의 유도 결합 플라즈마 식각과 플라즈마 강화 화학 기상 증착에 의해 100nm 두께의 SiN 패시베이션 층을 형성했습니다. 이후 길이(L _G ) 0.8 μm는 상부 SiN을 CF₄로 에칭한 후 포토리소그래피에 의해 정의되었습니다. 플라즈마, 그리고 Ni/Au 쇼트키 게이트 전극이 증착되었다. 게이트 소스(L _GS ) 및 게이트 드레인(L _GD ) 거리는 각각 0.8 및 1 μm입니다. 비교를 위해 기존의 AlGaN 단일 채널 및 GaN 이중 채널 이종 구조를 기반으로 하는 두 개의 추가 HEMT 샘플도 제작되었으며 단면 개략도는 그림 1b 및 c에 나와 있습니다. 추가 HEMT 샘플의 장치 프로세스 및 특성 매개변수는 AlGaN 이중 채널 HEMT와 정확히 동일합니다. 소자의 출력 및 전달 특성은 Keithley 4200 반도체 매개변수 분석기를 사용하여 수행했으며 항복 특성은 Agilent B1505A 고전압 반도체 분석기 시스템을 사용하여 수행했습니다.

HEMT의 일반적인 출력 특성은 그림 5에 나와 있으며 V_GS 및 V_DS 최대 드레인 전류 밀도(I _최대 ) 및 차동 온 저항(R _켜기 ) AlGaN 단일 채널 샘플의 265.3 mA/mm 및 27.1 Ω∙mm입니다. 이러한 결과는 이전 보고서에 따른 것으로, 현재 구동 용량에서 AlGaN 채널 HEMT의 결핍을 시사합니다. AlGaN 이중 채널 HEMT의 경우 I _최대 AlGaN 단일 채널 HEMT보다 1.8배 높은 473 mA/mm로 크게 증가합니다. 우리는 I _최대 AlGaN 이중 채널 헤테로 구조의 우수한 전송 특성. 한편, 이중 채널 구조는 수직 방향을 따라 2개의 포텐셜 우물을 가지며 AlGaN 전도 채널의 캐리어 저장 능력이 촉진됩니다. 반면에 전체 채널 캐리어 밀도는 증가하지만 각 채널의 평균 전자 밀도는 감소합니다. 그 결과, 캐리어-캐리어 산란 효과가 억제되고 채널 전자 이동도가 높아집니다. 그러나 R _켜기 AlGaN 이중 채널 HEMT의 두께는 12.5 Ω∙mm로 GaN 이중 채널 HEMT보다 여전히 큽니다. 이 현상은 AlN 조성이 31%로 높은 AlGaN 장벽 층의 큰 접촉 장벽 높이와 관련이 있습니다. 높은 전력 손실로 인한 자체 발열 효과로 인해 V일 때 GaN 이중 채널 HEMT에 대해 음의 차동 저항 효과가 관찰될 수 있습니다. _GS>− 4 V 및 V _DS> 6 V. 그럼에도 불구하고 AlGaN 채널 HEMT(단일 채널 및 이중 채널 모두)의 경우 이 음의 차동 저항 효과가 크게 억제되어 고온 조건에서 AlGaN 채널 HEMT의 우수한 성능을 나타냅니다.

AlGaN 이중 채널, AlGaN 단일 채널 및 GaN 이중 채널 HEMT의 출력 특성

그림 6은 V가 있는 HEMT의 일반적인 전달 속성을 보여줍니다. _DS 10 V의 AlGaN 단일 채널 HEMT는 임계 전압(V _T ) - 3.8 V, 열등한 피크 외부 트랜스컨덕턴스(G _m,최대 ) V 부근에서 80.5 mS/mm _GS =− 1.5 V. AlGaN 이중 채널 및 GaN 이중 채널 HEMT의 경우 V _T 채널 캐리어 밀도가 높고 게이트 전극에서 하부 2DEG 채널까지의 거리가 비교적 멀기 때문에 -9.2 및 -11.2 V로 현저히 감소합니다. 높은 V _T 오프 상태에서 장치의 높은 전력 손실을 초래할 수 있으며 이 문제는 장벽 및 상부 채널 층의 두께를 적절하게 줄이는 것과 같이 이중 채널 구조의 성장 매개변수를 추가로 최적화함으로써 개선될 수 있습니다. 특히, AlGaN 이중 채널 및 GaN 이중 채널 HEMT의 트랜스컨덕턴스 곡선에서 이중 험프 특성을 관찰할 수 있습니다. AlGaN 이중 채널 HEMT의 경우 V에서 97.9 및 42.5mS/mm의 두 피크 값을 추출할 수 있습니다. _G =− 1.0 및 − 6.0 V. 하위 피크 값은 G_m,max의 43%에 도달합니다. , AlGaN 이중 채널 HEMT의 적절한 게이트 제어 능력과 선형성을 나타냅니다. 또한, 우리의 이전 연구 성과[21]를 기반으로 AlGaN 이중 채널의 두께 및 구성과 같은 구조 매개변수를 변조하여 결과를 더욱 향상시킬 수 있으며 이중 채널과 소자 선형성 사이의 결합 효과는 다음과 같습니다. 향상되었습니다.

AlGaN 이중 채널, AlGaN 단일 채널 및 GaN 이중 채널 HEMT의 전달 특성

서로 다른 이종 구조에 기반한 HEMT의 오프 상태 항복 특성이 측정되어 그림 7에 나와 있습니다. V _b 누설 전류가 5 μA/mm에 도달하는 기준으로 정의됩니다. 세 가지 샘플 모두 하드 항복 특성을 나타내며 AlGaN 채널 HEMT의 항복 성능이 GaN 채널 HEMT의 항복 성능보다 분명히 우수함을 관찰할 수 있습니다. V _b AlGaN 이중 채널 HEMT의 143.5 V는 GaN 이중 채널 HEMT보다 2배 이상 높습니다. L _GD =1 μm 고려, V _b,표준 (V로 정의됨 _b /엘 _GD ) AlGaN 이중 채널 HEMT의 경우 143.5 V/μm만큼 높습니다. 나 _최대 및 V _b,표준 이 작업에서 AlGaN 이중 채널 HEMT의 결과는 그림 8의 다른 그룹에서 보고된 GaN 채널 및 AlGaN 채널 HEMT에 대해 벤치마킹되었으며 공핍 모드(DM) 및 향상 모드(EM) 장치의 결과가 구별됩니다. 또한, 이전 보고서 및 본 연구에서 AlGaN 채널 HEMT(heterostructures)의 핵심 지수를 표 1에 요약하였다. Fig. 8에서 보듯이 AlGaN 채널 HEMT의 항복 성능이 일반적으로 GaN보다 우수함을 알 수 있다. I의 악화와 함께 채널 HEMT _최대 . 특히, 나 _최대 이 작업에서 AlGaN 이중 채널의 결과는 대부분의 GaN 채널 HEMT 결과와 비슷합니다. 또한 나 _최대 이 작업의 가치는 V에서 얻습니다. _GS =0 V, 이것은 보수적이며 인가된 양의 게이트 전압에 의해 더욱 향상될 수 있습니다. 따라서 이러한 결과는 마이크로파 전력 장치 응용 분야에서 AlGaN 이중 채널 HEMT의 엄청난 잠재력을 설득력 있게 보여줍니다.

AlGaN 이중 채널, AlGaN 단일 채널 및 GaN 이중 채널 HEMT의 고장 특성

나의 벤치마크 _최대 및 V _b,표준 AlGaN 채널 및 GaN 채널 HEMT용