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

Resumen Técnico: Fabricación y Caracterización de Corriente Continua de Estructuras MOS-HEMT de AlGaN/GaN con Puerta de BST

Planteamiento del Problema
Si bien los transistores de alta movilidad de electrones (HEMT) de AlGaN/GaN basados en Nitruro de Galio (GaN) ofrecen un rendimiento superior en la electrónica de potencia y aplicaciones de alta frecuencia debido a su banda prohibida ancha y alta movilidad electrónica, las estructuras tradicionales de puerta Schottky sufren limitaciones significativas. Estas incluyen una corriente de fuga de puerta sustancial, inestabilidad del voltaje de umbral, atrapamiento de estados superficiales y colapso de corriente, particularmente bajo campos eléctricos elevados. Para abordar estos problemas, se emplean estructuras de Metal-Óxido-Semiconductor (MOS) que utilizan capas dieléctricas para mejorar el control electrostático y reducir las fugas. Aunque se exploran comúnmente dieléctricos de alta constante dieléctrica (high-k) como SiNx, Al₂O₃ y HfO₂, existe una escasez de investigación publicada sobre el Titanato de Bario y Estroncio (BST) como dieléctrico de puerta para AlGaN/GaN MOS-HEMTs. La literatura existente se centra principalmente en el rendimiento de RF o el voltaje de ruptura, con datos experimentales limitados sobre las propiedades eléctricas de corriente continua (DC) y las características de la interfaz de los dispositivos con puerta de BST. Además, ningún trabajo previo ha comparado sistemáticamente las propiedades eléctricas de los MOS-HEMT de BST de dos terminales y tres terminales para evaluar el impacto de la formación de BST en los fenómenos de transporte y la operación del dispositivo.

Metodología
El estudio utilizó obleas de AlGaN/GaN HEMT disponibles comercialmente, crecidas mediante la deposición de vapor de organometálicos (MOCVD). El proceso de fabricación involucró dos configuraciones de dispositivos distintas:

1. Dispositivos de Dos Terminales: Diseñados para analizar las propiedades eléctricas de la estructura AlGaN/GaN antes y después de la deposición de BST. Los contactos óhmicos (Al/Cr/Au) se patronaron mediante fotolitografía y evaporación térmica, seguidos de un recocido térmico rápido (RTA) a 870 °C. Las películas de BST se depositaron posteriormente en la región de la puerta utilizando pulverización catódica de magnetrón de RF.
2. MOS-HEMTs de Tres Terminales: Construidos sobre las estructuras de dos terminales, estos dispositivos incorporaron un segundo paso de fotolitografía para definir la región de la puerta. Se depositó una pila de puerta de Ni/Au (10 nm/50 nm) sobre la capa de BST para formar la puerta MOS, mientras que las pilas de Al/Cr/Au sirvieron como contactos de fuente y drenaje. Las dimensiones del canal fueron de aproximadamente 100 μm de longitud y 25 μm de ancho.

La caracterización eléctrica se realizó utilizando una unidad de fuente de doble canal Keithley 2634B a temperatura ambiente. Los dispositivos de dos terminales se probaron mediante barridos de I-V simétricos de ±1 V a ±12 V. Los dispositivos de tres terminales se caracterizaron mediante curvas de salida (Ids–Vds) y curvas de transferencia (Ids–Vgs) para extraer parámetros críticos como el voltaje de umbral, la transconductancia y las relaciones de corriente de encendido/apagado (on/off).

Resultos Clave

• Caracterización de Dos Terminales: Las características I-V de los dispositivos de dos terminales demostraron una transición de un comportamiento óhmico casi lineal a un estado de resistencia significativamente mayor tras la deposición de BST. En cualquier barrido de voltaje dado (por ejemplo, ±12 V), la corriente disminuyó aproximadamente un orden de magnitud (por ejemplo, de 9.85 mA a 0.517 mA), confirmando las propiedades aislantes y de bloqueo efectivas de la capa de BST.
• Caracterización de Tres Terminales: El MOS-HEMT con puerta de BST fabricado exhibió un control de puerta efectivo sobre la corriente de drenaje.
  • Voltaje de Umbral ($V_{th}$): Extraído como aproximadamente 0.028 V, lo que indica un dispositivo que opera cerca del modo normalmente encendido (normally-on).
  • Niveles de Corriente: La corriente en estado de encendido ($I_{ON}$) se midió en 5.76 × 10⁻⁸ A a $V_{gs} = 0.7$ V, mientras que la corriente en estado de apagado ($I_{OFF}$) fue de 3.475 × 10⁻⁹ A a $V_{gs} = -4$ V y $V_{ds} = 1$ V. Esto produjo una relación de corriente on/off de aproximadamente 16.
  • Transconductancia: La transconductancia máxima ($g_m$) se registró en 4.03 × 10⁻⁶ S a $V_{ds} = 20$ V.
  • Características de Salida: La corriente de drenaje ($I_{ds}$) aumentó gradualmente de $4.715 \times 10^{-4}$ A a $9.347 \times 10^{-4}$ A a medida que $V_{gs}$ variaba de -4 V a +4 V con un $V_{ds}$ fijo de 20 V.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la fabricación exitosa y la caracterización de DC de los AlGaN/GaN MOS-HEMT con puerta de BST proporcionan una visión profunda sobre la viabilidad del BST como aislante de puerta. El estudio demuestra que la incorporación de la capa de alto k de BST reduce eficazmente la corriente de fuga y permite la modulación de la puerta sobre el canal del gas de electrones bidimensional (2DEG). Al comparar las configuraciones de dos terminales y tres terminales, el trabajo llena un vacío en la literatura con respecto al rendimiento de DC de los dispositivos basados en BST, abordando específicamente la falta de datos sobre los fenómenos de transporte de la interfaz y las propiedades eléctricas comparativas de estas topologías de dispositivos específicas. Los resultados validan la formación funcional del 2DEG bajo la heteroestructura BST/AlGaN y sugieren que el BST es un candidato prometedor para mejorar las propiedades eléctricas de DC de los dispositivos basados en GaN.