Fabrication and DC Characterization of BST-Gated AlGaN/GaN MOS-HEMT Structures in Two- and Three-Terminal Configurations

Technische Zusammenfassung: Herstellung und DC-Charakterisierung von BST-gegateten AlGaN/GaN MOS-HEMT-Strukturen

Problemstellung
Obwohl Galliumnitrid (GaN)-basierte AlGaN/GaN-Hochelektronenbeweglichkeitstransistoren (HEMTs) aufgrund ihres breiten Bandabstands und ihrer hohen Elektronenbeweglichkeit eine überlegene Leistung in der Leistungselektronik und Hochfrequenzanwendungen bieten, leiden herkömmliche Schottky-Gate-Strukturen unter erheblichen Einschränkungen. Diese umfassen beträchtliche Gate-Leckströme, Schwellenspannungsinstabilität, Oberflächenzustands-Trapping und Stromkollaps, insbesondere unter hohen elektrischen Feldern. Um diese Probleme zu adressieren, werden Metal-Oxide-Semiconductor (MOS)-Strukturen unter Verwendung von Dielektrikschichten eingesetzt, um die elektrostatische Kontrolle zu verbessern und Leckströme zu reduzieren. Obwohl High-k-Dielektrika wie SiNx, Al₂O₃ und HfO₂ häufig untersucht werden, gibt es einen Mangel an publizierter Forschung bezüglich Barium-Strontium-Titanat (BST) als Gate-Dielektrikum für AlGaN/GaN-MOS-HEMTs. Die bestehende Literatur konzentriert sich weitgehend auf die RF-Leistung oder die Durchbruchspannung, wobei es an experimentellen Daten zu den DC-elektrischen Eigenschaften und den Grenzflächencharakteristika von BST-gegateten Bauelementen mangelt. Zudem hat bisher keine Arbeit systematisch die elektrischen Eigenschaften von Zwei-Terminal- und Drei-Terminal-BST-gegateten MOS-HEMTs verglichen, um die Auswirkungen der BST-Bildung auf die Transportphänomene und den Betrieb des Bauelements zu bewerten.

Methodik
Die Studie verwendete kommerziell erhältliche AlGaN/GaN-HEMT-Wafer, die mittels metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD) gezüchtet wurden. Der Herstellungsprozess umfasste zwei unterschiedliche Bauelementkonfigurationen:

1. Zwei-Terminal-Bauelemente: Diese wurden entwickelt, um die elektrischen Eigenschaften der AlGaN/GaN-Struktur vor und nach der BST-Abscheidung zu analysieren. Ohmic-Kontakte (Al/Cr/Au) wurden mittels Fotolithografie und thermischer Verdampfung gemustert, gefolgt von einer schnellen thermischen Annealing-Behandlung (RTA) bei 870 °C. BST-Filme wurden anschließend im Gate-Bereich mittels RF-Magnetron-Sputtern abgeschieden.
2. Drei-Terminal-MOS-HEMTs: Diese wurden auf Basis der Zwei-Terminal-Strukturen gefertigt und beinhalteten einen zweiten Fotolithografie-Schritt zur Definition des Gate-Bereichs. Eine Ni/Au-Gate-Stapelung (10 nm/50 nm) wurde über die BST-Schicht abgeschieden, um das MOS-Gate zu bilden, während Al/Cr/Au-Stapel als Source- und Drain-Kontakte dienten. Die Kanaldimensionen betrugen etwa 100 μm in der Länge und 25 μm in der Breite.

Die elektrische Charakterisierung erfolgte mit einer Keithley 2634B Dual-Channel SourceMeter Unit bei Raumtemperatur. Zwei-Terminal-Bauelemente wurden mittels symmetrischer I-V-Sweeps von ±1 V bis ±12 V getestet. Drei-Terminal-Bauelemente wurden mittels Ausgangskurven (Ids–Vds) und Transferkurven (Ids–Vgs) charakterisiert, um kritische Parameter wie die Schwellenspannung, die Transkonduktanz und die On/Off-Stromverhältnisse zu extrahieren.

Wesentliche Ergebnisse

• Zwei-Terminal-Charakterisierung: Die I-V-Charakteristika der Zwei-Terminal-Bauelemente zeigten einen Übergang von nahezu linearem ohmschen Verhalten zu einem signifikant höheren Widerstandszustand nach der BST-Abscheidung. Bei jedem gegebenen Spannungssweep (z. B. ±12 V) sank der Strom um etwa eine Größenordnung (z. B. von 9,85 mA auf 0,517 mA), was die effektiven Blockierungs- und isolierenden Eigenschaften der BST-Schicht bestätigt.
• Drei-Terminal-Charakterisierung: Der fabrikierte BST-gegatete MOS-HEMT zeigte eine effektive Gate-Kontrolle über den Drain-Strom.
  • Schwellenspannung ($V_{th}$): Extrahiert als etwa 0,028 V, was auf ein Bauelement hindeutet, das nahe am Normally-on-Modus arbeitet.
  • Strompegel: Der On-Strom ($I_{ON}$) wurde mit 5,76 × 10⁻⁸ A bei $V_{gs} = 0,7$ V gemessen, während der Off-Strom ($I_{OFF}$) 3,475 × 10⁻⁹ A bei $V_{gs} = -4$ V und $V_{ds} = 1$ V betrug. Dies ergab ein On/Off-Stromverhältnis von etwa 16.
  • Transkonduktanz: Die maximale Transkonduktanz ($g_m$) wurde mit 4,03 × 10⁻⁶ S bei $V_{ds} = 20$ V aufgezeichnet.
  • Ausgangskennlinien: Der Drain-Strom ($I_{ds}$) stieg graduell von $4,715 \times 10^{-4}$ A auf $9,347 \times 10^{-4}$ A an, während $V_{gs}$ von -4 V auf +4 V variierte, bei einem festen $V_{ds}$ von 20 V.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit behauptet, dass die erfolgreiche Herstellung und DC-Charakterisierung von BST-gegateten AlGaN/GaN-MOS-HEMTs einen fundierten Einblick in die Lebensfähigkeit von BST als Gate-Isolator bietet. Die Studie zeigt, dass die Integration der High-k-BST-Schicht den Leckstrom effektiv reduziert und die Gate-Modulation des zweidimensionalen Elektronengas-Kanals (2DEG) ermöglicht. Durch den Vergleich von Zwei-Terminal- und Drei-Terminal-Konfigurationen schließt die Arbeit eine Lücke in der Literatur hinsichtlich der DC-Leistung von BST-basierten Bauelementen, insbesondere durch die Adressierung des Mangels an Daten zu den Grenzflächen-Transportphänomenen und den vergleichenden elektrischen Eigenschaften dieser spezifischen Bauelement-Topologien. Die Ergebnisse validieren die funktionale Bildung des 2DEG unter der BST/AlGaN-Heterostruktur und legen nahe, dass BST ein vielversprechender Kandidat zur Verbesserung der DC-elektrischen Eigenschaften von GaN-basierten Bauelementen ist.