Via-Hole 길이 변조를 통해 일반적으로 꺼진 GaN HEMT의 다중 메사 채널 폭 제한 돌파

초록

우리는 전하 중성 스크린 효과를 조절하기 위해 비아 홀 길이의 변조를 통해 다중 메사 채널(MMC) 폭의 일반적인 한계를 극복하는 새로운 GaN HEMT(고전자 이동성 트랜지스터)를 제시합니다. 향상된 표면 피닝 효과를 기반으로 최대 300nm 너비의 향상 모드(E-모드) GaN HEMT를 준비했습니다. MMC 구조와 폭, 비아홀 길이가 각각 100nm/2μm 및 300nm/6μm인 E-모드 GaN HEMT는 양의 임계 전압(V _번째 ) 각각 0.79 및 0.46V입니다. MMC 및 비아홀 길이 구조의 온 저항은 일반적인 3중 게이트 나노리본 GaN HEMT보다 낮았습니다. 또한, 소자는 E-모드를 달성했을 뿐만 아니라 GaN HEMT의 전력 성능을 개선하고 소자 열 효과를 효과적으로 완화했습니다. E-모드 GaN HEMT를 얻기 위해 비아 홀 길이 측벽 표면 고정 효과를 제어했습니다. 우리의 연구 결과는 GaN HEMT에서 일반적으로 벗어난 비아 홀 길이가 차세대 전력 전자 장치에 사용할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있음을 시사합니다.

배경

광대역 갭 III-V 질화물은 큰 밴드 갭, 높은 임계 전기장, 높은 포화 전자 속도 및 높은 전도도를 포함하는 우수한 재료 특성으로 인해 주파수 및 전압 작동을 위한 유망한 반도체 재료입니다[1, 2]. 따라서 LED(Light Emitting Diode), 트랜지스터 등 다양한 응용 분야에서 널리 사용되고 있다[3]. 또한, 알루미늄 갈륨 질화물/갈륨 질화물(AlGaN/GaN) 이종 구조는 III-질화물 화합물의 자발적 및 압전 분극을 이용하여 고성능 장치 개발에 적합한 2차원 전자 가스(2DEG)를 형성합니다[4,5 ,6]. 2DEG의 양은 소자 특성에 직접적인 영향을 미치는 분극 유도 도핑의 비율에 의해 영향을 받습니다[7,8,9]. AlGaN/GaN 고 전자 이동성 트랜지스터(HEMT)는 많은 매력적인 특성을 가지고 있지만 전자 특성이 디지털, 전력, RF 및 마이크로웨이브 회로 애플리케이션을 위한 복잡한 회로 구성을 요구할 수 있기 때문에 보편적인 유틸리티를 찾지 못했습니다. 따라서 향후 III-V 반도체 장치[10, 11]에 대해 평상시에는 오프 작동이 필수적입니다. 일부 특수 제조 기술이 테스트되었지만(예:오목한 게이트의 사용[12,13,14], 게이트 아래에 p형 캡핑 층 삽입[15, 16], 터널 접합 구조[17], 불소 이온 주입 게이트 아래의 장벽[18]과 특수 금속 게이트와 급속 열 어닐링(RTA) 처리[19]와 함께 얇은 AlGaN 장벽 층을 포함하면 장치 성능을 악화시키고 공정으로 인한 재료 손상을 통해 안정성 문제를 일으킬 수 있습니다. 증가된 열 및 전기장 효과.

또는 홋카이도 대학의 팀은 핀 나노채널로 제작된 AlGaN/GaN HEMT가 임계 전압(V _번째 ) 양의 방향으로 [20, 21]. Soochow University의 한 그룹은 V의 값이 _번째 나노채널 너비가 90nm보다 작을 때 체계적인 양의 이동을 겪었습니다[22]. 경북대학교 연구원들은 거동을 설명하기 위해 채널 측면의 부분 변형 이완을 고려했습니다[23]. 매사추세츠 공과 대학(Massachusetts Institute of Technology)의 팀은 GaN 기반 HEMT의 표면 패시베이션 후 임계 전압을 시뮬레이션하고 채널 너비가 100nm 미만일 때 양의 값이 발생한다고 결정했습니다[24]. 측벽 효과와 인장 응력 증가의 결과입니다. 이는 채널의 전자 농도를 감소시켰습니다. 핀형 구조는 3차원 구조로 인해 문턱 전압을 이동시킬 뿐만 아니라 게이트 제어성을 향상시켜 온 상태 성능을 유도하고 오프 상태 특성을 향상시킵니다. 정규화된 최대 드레인 전류(I _D /mm) 핀형 구조의 AlGaN/GaN HEMT는 해당 평면 구조의 HEMT보다 높다[25]. 이러한 방법이 E-모드 HEMT를 제조하는 데 사용되었지만 고성능 GaN 전력 트랜지스터를 개발하는 것은 여전히 ​​매우 어렵습니다. 먼저 낮은 온저항(R _켜기 ) 및 낮은 장치 총 전력은 채널의 너비가 100nm 미만으로 제한될 때 달성하는 것입니다. R의 값은 _켜기 채널의 길이는 정상 오프 게이트의 길이를 줄임으로써 감소될 수 있으며, 오프 상태 드레인 누설 전류를 제어하는 ​​것은 게이트 폭이 극성화 쿨롱 필드 산란 및 게이트 누설 경로를 통해 트랜스컨덕턴스와 게이트 누설에 영향을 미치기 때문에 또 다른 문제를 제기합니다[26, 27 ]. 증착된 필름을 게이트 유전체로 사용하여 이러한 문제를 개선할 수 있습니다[28].

이 편지에서 우리는 3중 게이트 채널의 폭 제한에 대한 돌파구를 설명하고 채널의 비아홀 길이를 변조하는 방법을 제안합니다. 우리 장치는 300nm의 MMC 구조와 6μm의 비아홀 길이로 E-모드를 달성했으며 0.46V의 임계 전압을 나타냈습니다. 이 접근 방식은 장치 온 저항(R _켜기 ) 뿐만 아니라 줄 가열 효과를 완화할 수도 있습니다. 다양한 채널 너비와 비아홀 길이를 가진 3D 트라이 게이트를 결합하여 V의 양수 값을 갖는 normal off GaN HEMT를 달성했습니다. _번째 채널 너비/비아홀 길이가 각각 100nm/2μm 및 300nm/6μm일 때 0.79 및 0.46V입니다.

방법

AlGaN/GaN 에피 웨이퍼는 Nippon Sanso SR-2000 금속-유기 화학 기상 증착 시스템(MOCVD)을 사용하여 (0001) 사파이어 기판에서 성장되었습니다. 에피택시 구조의 성장은 600°C에서 증착된 GaN 핵형성 층으로 시작되었습니다. 2μm 두께의 의도하지 않게 도핑된 GaN 버퍼층, 21.8nm 두께의 의도하지 않은 도핑된 AlGaN 장벽층(공칭 알루미늄 조성 23%), 2nm 두께의 GaN 캡층이 1180°C에서 증착되었습니다. BCl₃이 있는 유도 결합 플라즈마(ICP) 반응성 이온 에칭(RIE) 시스템을 사용하여 장치 처리를 시작했습니다. /Cl₂ 130nm 깊이의 메사를 분리하고 주기적인 트렌치 구조를 에칭하기 위한 가스 혼합물. 그 후, 리세스 영역과 메사 측벽의 결정면을 복원하고 표면 결함 및 이온 충격 손상 수준을 줄이기 위해 두 가지 프로세스가 적용되었습니다. 첫 번째는 결정학적 습식 화학적 에칭을 위해 용융 KOH를 사용하여 건식 에칭으로 인한 표면 손상을 제거하고 동시에 매끄러운 수직 측벽을 생성하는 것입니다. 두 번째는 피라냐 용액(H₂ SO₄ 및 H₂ O₂ ) 표면 청소 및 유기 잔류물 제거용. DC 측정을 위한 드레인, 소스, 게이트 및 접촉 패드를 정의하기 위해 수은 램프를 사용한 기존의 포토리소그래피가 적용되었습니다. 티타늄/알루미늄/니켈/금(Ti/Al/Ni/Au, 30/120/20/80 nm)으로 구성된 AlGaN/GaN 이종접합에 대한 옴 접촉은 전자빔 증발을 통해 드레인/소스 영역에 증착되고 진공 상태에서 30초 동안 850°C에서 어닐링 트랜지스터 채널을 완성하기 위해 Ni/Au(20/80nm)의 전자빔 증발을 통해 게이트 전극을 제작했습니다. 그림 1은 HEMT 구조의 단면, 기기의 평면도, 기기의 3D 구조 다이어그램을 개략적으로 보여줍니다. 게이트 길이(L _g ), MMC 구조 너비(W _MMC ), MMC 구조 비아홀 길이(L _MMC ) 및 MMC 구조 높이(H _MMC )는 각각 2μm, 100~500nm, 1~6μm, 130nm였습니다. 지느러미는 병렬로 연결되었습니다. 표면 피닝 효과를 향상시키기 위해 GaN HEMT 비아홀 길이 구조는 패시베이션되지 않았습니다. 그림 2a는 소스 및 드레인 영역의 금속 표면에 대한 평면도 SEM(주사 전자 현미경) 이미지를 보여줍니다. 그림 2b의 광학 현미경(OM) 이미지는 완전한 게이트와 채널을 보여줍니다. 장치에 존재하는 채널 수를 관찰하는 것은 실제 전류를 계산할 때 도움이 되었습니다. 어닐링 후 결정 격자에서 원자가 이동하고 전위 수가 감소하여 저항이 효과적으로 감소하기 때문에 이미지에서 표면이 거칠게 나타납니다. 그림 2c의 SEM 이미지는 채널의 치수를 확인했습니다.

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a의 개략도 트랜지스터 채널에 평행한 방향에서 본 HEMT 구조의 단면; ㄴ HEMT 구조의 평면도; 및 c HEMT의 3차원 구조

<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-017-2189-3/MediaObjects/ 11671_2017_2189_Fig2_HTML.gif?as=webp">

아 장치의 평면도 SEM 이미지; ㄴ 각각 100nm 및 1μm의 채널 너비와 길이를 나타내는 기기의 평면도 OM 이미지 및 c 채널의 상위 뷰 SEM 이미지

결과 및 토론

지금까지 GaN 고전압 트랜지스터의 대부분의 기술 개발은 AlGaN/GaN HEMT를 기반으로 했으며, 이는 AlGaN-GaN 인터페이스에서 분극 유도된 2D 전자 가스로 인해 본질적으로 공핍 모드(D 모드) 장치입니다. [29]. 그럼에도 불구하고 전력 전자 산업이 GaN 기술을 널리 채택하려면 일반적으로 꺼진 GaN 트랜지스터가 필요합니다.

(Al)GaN 표면의 댕글링 본드 수는 약 10 ¹⁵ 입니다. cm ⁻² ; 이러한 댕글링 본드는 표면 고정 효과의 결과로 표면이 고갈된 밴드 굽힘을 유발합니다. 그림 3a는 3중 게이트 구조의 측벽 게이트에서 측면 채널 표면 공핍 영역을 표시합니다. 경북대학교 연구원들도 비슷한 현상을 보고했다[21]. 그림 3b는 I를 나타냅니다. _DS –V _G 고정 값이 L인 장치의 전달 특성 _MMC 2μm 및 W 값 _MMC 100, 300, 500nm입니다. 드레인-소스 전압이 8V일 때 V의 값은 _번째 이들 장치의 전압은 각각 +0.79, -1.32, -2.18V였습니다. 따라서 채널이 좁아짐에 따라 문턱 전압의 양의 이동이 발생했습니다. 이 현상은 측면 채널 공핍 및 비아 홀 길이 표면 굽힘의 영향을 통해 MMC 비아 홀 길이 구조의 측벽에서 2μm 비아 홀 길이의 표면 고정으로 인한 것일 수 있습니다. .

<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-017-2189-3/MediaObjects/ 11671_2017_2189_Fig3_HTML.gif?as=webp">

아 넓고 좁은 채널을 갖는 AlGaN/GaN HEMT의 개략도. ㄴ 나 _DS –V _G L 값을 갖는 장치에 대해 측정된 전달 특성 _MMC 2μm의 다양한 값과 W _MMC

그림 4는 I_DS를 표시합니다. -V_G 고정 값이 W인 장치의 전달 특성 _MMC 300nm 및 L 값 _MMC 1, 2, 6μm 드레인-소스 전압이 8V일 때 V의 값은 _번째 각각 -2.12, -1.07, +0.46V였습니다. 기기는 MMC 길이와 너비가 각각 6μm 및 300nm일 때 정상 오프 작동을 달성했습니다. 비아홀 길이와 채널 폭을 조절하면 정상적으로 꺼진 작동을 표시하는 장치를 제공할 수 있습니다. 표 1에는 다양한 비아홀 길이 및 다중 메사 채널 너비에 대해 측정된 임계값 전압이 나와 있습니다. 채널 폭을 500nm로 고정하고 비아홀 길이를 0.8에서 6μm로 늘리면 V의 값이 _번째 -2.62에서 -1.62V로 증가하고, 포화 드레인 전류는 747에서 98mA/mm로, 트랜스컨덕턴스는 270에서 40mS/mm로 감소했습니다. 채널 너비를 300nm로 고정하고 비아홀 길이를 0.8에서 6μm로 늘리면 V의 값이 _번째 -2.15에서 +0.46V로 증가하고 포화 드레인 전류는 685에서 6.8mA/mm로, 트랜스컨덕턴스는 290에서 7.4mS/mm로 감소했습니다. 채널 폭을 100nm로 고정하고 비아홀 길이를 0.8에서 2μm로 늘리면 V의 값이 _번째 -0.41에서 +0.79V로 증가하고 포화 드레인 전류는 547에서 53mA/mm로, 트랜스컨덕턴스는 400에서 67mS/mm로 감소했습니다. HEMT 전류 처리 용량은 캐리어 농도에 의해 크게 영향을 받습니다[20, 21]. 따라서 장치의 포화 드레인 전류 및 트랜스컨덕턴스는 GaN HEMT의 너비와 비아홀 길이를 변경할 때 측벽 전체 표면 상태와 3중 게이트 채널의 표면 공핍 효과에 의해 크게 영향을 받았습니다. 이전에 보고된 장치[23]와 비교하여 우리 장치는 일반적으로 GaN HEMT에서 사용하지 않는 낮은 온 저항에 대한 새로운 이정표에 도달했습니다.

<그림><그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671-017-2189-3/MediaObjects/ 11671_2017_2189_Fig4_HTML.gif?as=webp">

나 _DS –V _G 고정 값이 W인 장치의 전달 특성 _MMC 300nm 및 다양한 L 값 _MMC

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결론

우리는 다중 메사 채널(MMC) 구조를 갖는 E-모드 GaN HEMT를 준비했습니다. 채널 너비와 비아홀 길이가 각각 300nm와 6μm일 때 0.46V의 양의 임계값 전압을 나타냈습니다. 우리는 측면 채널 고갈과 비아 홀 길이 표면 굽힘 모두의 영향을 추론합니다. MMC 비아홀 길이 구조를 갖는 트라이 게이트를 포함할 때, 새로운 normal off GaN HEMT는 MMC 구조 폭을 300nm(이전에는 100nm 미만으로 제한)로 증가시켰을 때에도 매우 낮은 온 저항을 나타냈습니다. 또한, 비아 홀 길이 MMC 구조의 변조는 MMC 구조 장치 폭을 증가시킨 결과로 우수한 전력 성능을 향상시키는 GaN HEMT에서 일반적으로 제공됩니다.

원자층 증착 및 열수 성장에 의해 제조된 항균성 폴리아미드 6-ZnO 계층적 나노섬유 용액 유래 ZnO를 사용한 템플릿 공정을 통한 나노쉘 기반 3D 주기 구조 제작