Microwave Performance of all MOCVD-grown AlScN/GaN MIS-HEMTs on Semi-Insulating GaN Substrates

Resumen Técnico: Rendimiento de Microondas de HEMTs MIS-HEMTs de AlScN/GaN Crecidos por MOCVD

1. Problema y Contexto

El nitruro de aluminio y escandio (AlScN) ha surgido como una capa de barrera superior para los transistores de alta movilidad electrónica (HEMT) de GaN debido a su fuerte polarización espontánea y piezoeléctrica, lo que permite densidades de gas de electrones bidimensionales (2DEG) significativamente mayores que las barreras de AlGaN convencionales. Además, el AlScN puede ajustarse para coincidir con la red cristalina del GaN, reduciendo defectos interfaciales.

Sin embargo, existen dos desafíos críticos:

• Fabricabilidad: La mayoría de los resultados de vanguardia en AlScN/GaN se han logrado mediante Epitaxia de Haces Moleculares (MBE), un proceso lento y costoso. La deposición química de vapor de organometálicos (MOCVD) es el estándar industrial para la producción masiva de GaN, pero su implementación en AlScN es compleja debido a la falta de precursores adecuados de escandio con suficiente presión de vapor.
• Fugas y Ruido: Los HEMTs de AlScN/GaN crecidos por MOCVD con puertas Schottky sufren de altas corrientes de fuga en estado apagado, lo que limita la relación corriente de encendido/apagado ($I_{on}/I_{off}$) y degrada el rendimiento en radiofrecuencia (RF).

2. Metodología

Los autores diseñaron, fabricaron y caracterizaron dispositivos HEMT de puerta metal-aislante-semiconductor (MIS) de larga longitud (1 µm) utilizando exclusivamente técnicas MOCVD.

• Crecimiento Epitaxial: Se utilizó un sustrato de GaN semi-aislante (S.I.) dopado con Mn y de baja densidad de dislocaciones (~2×10⁵ cm⁻²), obtenido mediante crecimiento amonotermal. La estructura incluye una capa de GaN no intencionalmente dopada (UID) de ~100 nm y una barrera compuesta de AlN/AlScN.
• Precursor de Escandio: Para superar la limitación de los precursores, se empleó un precursor metálico-organometálico personalizado, $(MCp)_2ScCl$, calentado a 120°C, junto con TMAl para el aluminio y TMGa para el galio.
• Estructura de Puerta MIS: Se depositó in-situ una capa de SiNₓ (~2 nm) sobre la barrera AlScN/AlN antes de la metalización de la puerta (Ni/Au). Esta arquitectura MIS, junto con la pasivación posterior de SiN, tiene como objetivo suprimir las fugas de puerta y mejorar el control electrostático.
• Caracterización: Se realizaron mediciones de microscopía electrónica de transmisión (STEM), mapeo de composición (EDX), mediciones DC (transferencia, ruptura, familia IV), caracterización de ruido (figura de ruido), y mediciones de RF de pequeña y gran señal (hasta 45 GHz y carga de extracción a 10 GHz).

3. Contribuciones Clave

• Primera demostración de ruido de microondas: Este es el primer informe que presenta el rendimiento de ruido de microondas en HEMTs de AlScN/GaN.
• Validación de MOCVD para AlScN: Demuestra que es posible crecer heteroestructuras de alta calidad de AlScN/GaN con MOCVD, logrando una composición de Sc de hasta ~13% y una capa totalmente tensada (strained).
• Arquitectura MIS de alto rendimiento: La implementación de una puerta MIS en sustratos semi-aislantes de GaN logra una relación $I_{on}/I_{off}$ excepcional y una dispersión de corriente mínima, superando las limitaciones de las puertas Schottky en este material.
• Escalabilidad: Establece una base sólida para dispositivos de puerta larga de alto voltaje y demuestra el potencial intrínseco para la escalado a puertas cortas (mm-wave).

4. Resultados Principales

Rendimiento DC y de Ruptura:

• Corriente y Relación: Corriente de drenaje máxima de 1 A/mm y una relación $I_{on}/I_{off}$ de 2×10⁵ (un orden de magnitud superior a reportes previos de MOCVD).
• Subumbral: Pendiente de subumbral (SS) de 63 mV/dec, acercándose al límite teórico de Boltzmann, lo que indica una excelente calidad interfacial y baja densidad de trampas ($D_{it} \approx 2.11 \times 10^{11} \text{ cm}^{-2}\text{eV}^{-1}$).
• Ruptura: Voltaje de ruptura de tres terminales de 63 V con un campo eléctrico promedio de 0.75 MV/cm.
• Dispersión de Corriente: Muy baja dispersión de corriente (7.8%) a 10 V, indicando una supresión efectiva de efectos de atrapamiento dinámico gracias a la pasivación y la calidad del sustrato.

Rendimiento de RF (Pequeña y Gran Señal):

• Frecuencias de Corte: Para una puerta de 1 µm, se obtuvo una frecuencia de corte de corriente ($f_T$) de 25.8 GHz y una frecuencia de oscilación máxima ($f_{max}$) de 51.1 GHz.
• Potencia de Salida: En mediciones de gran señal a 10 GHz (modo Clase-AB), se logró una densidad de potencia de salida de 4.04 W/mm con una eficiencia de potencia añadida (PAE) del 22.7%.
• Ruido de Microondas: Se midió una figura de ruido mínima ($NF_{min}$) inferior a 2.5 dB en un rango amplio de corriente de drenaje (100-700 mA/mm) para frecuencias por debajo de 6 GHz.

Caracterización Estructural:

• Imágenes STEM y mapeo de RSM confirmaron que la capa de barrera AlScN/AlN está completamente tensada al GaN, con una composición de Sc gradual que aumenta hasta ~13%. La morfología de la superficie es extremadamente suave (Ra RMS de 0.372 nm).

5. Significado e Impacto

Este trabajo es fundamental porque:

1. Cierra la brecha entre investigación y producción: Valida que el sistema de materiales AlScN/GaN, prometedor para electrónica de alta potencia y alta frecuencia (6G, espacio, cuántica), puede fabricarse mediante MOCVD, la técnica estándar de la industria.
2. Habilita aplicaciones de alto voltaje: Los dispositivos de puerta larga (1 µm) demuestran capacidades de alto voltaje y baja dispersión, ideales para amplificadores de potencia de RF.
3. Proyección de futuro: Aunque los dispositivos actuales tienen puertas de 1 µm, los resultados sugieren que la escalado a longitudes de puerta más cortas (ej. 150 nm) podría teóricamente alcanzar frecuencias de corte ($f_T$) cercanas a 170 GHz, posicionando a esta tecnología como un candidato fuerte para aplicaciones en bandas Ka y sub-THz.
4. Calidad de Material: La combinación de sustratos de GaN semi-aislante de alta calidad y la arquitectura MIS permite un control electrostático casi ideal, minimizando las trampas y las fugas, lo cual es crítico para el rendimiento de ruido y la estabilidad en RF.

En conclusión, el estudio establece una base robusta para el desarrollo futuro de HEMTs de AlScN/GaN crecidos por MOCVD, combinando alto voltaje, alta frecuencia y bajo ruido en una plataforma fabricable industrialmente.