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採用自立式 a-平面襯底來提高HFET的性能

2011-9-22

採用自立式 a-平面襯底來提高HFET的性能

      在一個已商品化的原始 a-平面襯底上製作的增強型 GaN HFET其漏極電流強度可達220 mA/mm。

      來自日本的一個工程師團隊通過在一個自立式(Freestanding)GaN襯底上進行器件生長的方法來製作HFET器件,打破了a-平面增強型異質結場效應電晶體(HFET)的漏極電流強度記錄。

      增強型HFET與耗盡型HFET相比,前者的應用要少得多。耗盡型HFET更易於製造,並具有高的擊穿電壓和高的工作溫度,並具有很高的電流密度。然而在許多應用中,人們也非常希望其中的增強型HFET能具有同等的性能,因為這樣就能降低其待機功耗,可簡化電路,這對應用於自動故障防止電路中是必不可少的。

      為了製造增強型HFET,研究人員將目光轉向了非極性襯底。通過調節阻擋層中的施主濃度,就可以控制溝道層中二維電子氣的密度。

      有一些研究團隊,其中包括美國加州大學Santa Barbara分校的研究團隊,已經採用了自立式m-平面襯底來製作他們的增強型HFET,但這樣做會在氮化物外延層中產生高濃度的氧污染。雖然由此產生的高漏電流可以採用鐵摻雜措施來加以減小,但是這種鐵元素會對溝道產生沾汙,從而降低了漏極電流,並會增加電流的崩潰效應。

      當HFET是生長在以r -平面藍寶石襯底的a-平面GaN上時,由於電晶體中會產生位錯和堆垛層錯,所以這種器件的性能也不令人滿意。

      然而,來自Meijo大學的論文通訊作者Yasuhiro Isobe說,如果對生長條件進行充分的優化,就有可能在自立式a-平面GaN襯底上製造出高品質的HFET來。

      Isobe和他同事曾在商品化a-平面GaN襯底上製造出了這種HFET電晶體,這些商品化GaN襯底主要由Kyma技術公司和Sumitomo電子工業公司等進行生產。

      這些器件在結構上的特徵是具有一個未經特意摻雜的GaN緩衝層,其厚度大於7µm,隨後是3層Al0.34-Ga0.64-N層,其厚度分別為1nm、3nm和16nm。最薄和最厚的兩層未經特意的摻雜,與處於它們中間3nm厚的薄層形成一種三明治結構,該中間層的矽摻雜濃度為3.5 x 1019cm-3。

      根據二次離子質譜SIMS分析,在a-平面GaN層中的O含量水準低於儀器的檢出限2 x 1016 cm-3。

      當柵源間電壓為3V、柵極寬度為2µm、源漏間距為8µm時,這種HFET可提供峰值漏極電流強度為220mA/mm。而當這個電壓調節至–20 V時,漏極電流為8 x 10-6 A/mm,該日本團隊說這個數值比生長在廣泛使用的c-平面上HFET的相應值要低。這種電晶體跨導的峰值為56.6 mS/mm,當源漏間電壓為+8V時,其閾值電壓為–1.6 V。

      該研究團隊現在正在試圖製造具有更高性能水準的器件。Isobe說,他們已經取得了一定成功,但是同時也發現了一些問題,對此進行詳細描述的論文將會隨即發表。

      化合物半導體 譯


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