【氮化镓】利用Ga2O3缓冲层改善SiC衬底AlN/GaN/AlGaN HEMT器件性能

Micro and Nanostructures 189 (2024) 207815文献于阅读总结。

本文是关于使用SiC衬底AlN/GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的研究,特别是探讨了不同缓冲层对器件性能的影响,以应用于高速射频(RF)应用。研究主要关注如何选择一个成本效益高、厚度超过1微米且缺陷较少的缓冲层,以改善直流(DC)和射频(RF)性能。研究中特别提到了使用β-Ga2O3(β-氧化镓)作为高质量缓冲材料的优势,因为它与AlGaN合金和SiC有很好的晶格匹配,有助于制造成本效益高、可靠的HEMT。

研究结果表明,与GaN缓冲层相比,β-Ga2O3缓冲层的HEMT在漏电流方面有显著降低,并且在漏极电流(2.3 A/mm)、跨导(603 S/mm)和截止频率(486 GHz)方面表现更优。这些性能的提升使得β-Ga2O3缓冲层的HEMT非常适合用于成本效益高的未来的高速RF应用。

论文还讨论了T型栅极的影响,以及栅极到漏极长度(LGD)和栅极到源极长度(LGS)在横向尺寸上的缩放对器件性能的影响。通过数值模拟软件Silvaco ATLAS TCAD对器件性能进行了分析。

此外,论文还提到了III-氮化物化合物半导体材料的优越性质,以及GaN材料在光电子市场、毫米波功率放大器、功率转换器和开关中的应用。GaN HEMT在航空航天和国防应用中的日益普及,以及它们在雷达系统、电子战设备和卫星通信系统中的高功率密度、宽带宽和对恶劣环境的韧性。

论文的结论是,通过对比分析GaN缓冲层和β-Ga2O3缓冲层的HEMT,发现后者在减少漏电流、提高电子限制在量子阱中的能力方面表现更好,从而在缩放横向尺寸时提高了频率性能,这使得β-Ga2O3缓冲层的HEMT成为低成本RF应用的推荐选择。

  • 研究背景:III族氮化物半导体材料因其优异的物理特性,在下一代半导体电子器件中扮演着重要角色。氮化镓(GaN)在光电子学市场已经证明了其潜力,并且在毫米波功率放大器、功率转换器和开关等应用中得到了越来越多的关注。

  • 研究目的:本研究主要关注选择一种成本效益高的缓冲层材料,厚度超过1微米且缺陷较少,以改善直流(DC)/射频(RF)性能。研究中特别提到了β-氧化镓(β-Ga2O3)作为一种高质量的缓冲层材料,它与AlGaN合金和SiC具有良好的晶格匹配。

  • 实验设计:研究比较了使用GaN缓冲层和β-Ga2O3缓冲层的AlN/GaN/AlGaN HEMT。实验中使用了T型栅极,并对栅极到漏极(LGD)和栅极到源极(LGS)的长度进行了横向缩放研究。

  • 结果:使用β-Ga2O3缓冲层的HEMT在漏极电流(2.3 A/mm)、跨导(603 S/mm)和截止频率(486 GHz)方面表现出显著的优势。这些性能的提升有助于在成本效益高的高速RF应用中使用这种HEMT器件。

  • 结论:通过对比分析,发现使用β-Ga2O3缓冲层的HEMT在直流和射频性能方面均优于使用GaN缓冲层的HEMT。β-Ga2O3缓冲层的HEMT在漏极电流、跨导和截止频率方面分别高出19%、16%和11%。

  • 设备结构和模拟模型:论文详细介绍了设备的结构和模拟模型,包括AlN/GaN/AlGaN和AlN/GaN/AlGaN/β-Ga2O3 HEMT的结构图和模拟参数。

  • 材料参数:列出了用于TCAD模拟的材料参数,包括带隙、电子饱和速度、电子迁移率、相对介电常数和价带态密度。

 

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