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

Résumé Technique : Fabrication et Caractérisation DC de Structures MOS-HEMT AlGaN/GaN à Grille BST

Énoncé du Problème
Bien que les transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT) à base d'AlGaN/GaN offrent des performances supérieures pour l'électronique de puissance et les applications à haute fréquence grâce à leur large bande interdite et leur haute mobilité électronique, les structures traditionnelles à grille Schottky souffrent de limitations significatives. Celles-ci incluent un courant de fuite de grille substantiel, une instabilité de la tension de seuil, des états de surface piégés et un effondrement du courant, particulièrement sous des champs électriques élevés. Pour remédier à ces problèmes, des structures MOS (Métal-Oxyde-Semiconducteur) utilisant des couches diélectriques sont employées pour améliorer le contrôle électrostatique et réduire les fuites. Bien que des diélectriques à haute constante diélectrique (high-k) comme le SiNx, l'Al₂O₃ et l'HfO₂ soient couramment explorés, il existe une rareté de recherches publiées concernant le titanate de baryum et de strontium (BST) en tant que diélectrique de grille pour les MOS-HEMT AlGaN/GaN. La littérature existante se concentre largement sur les performances RF ou la tension de claquage, avec des données expérimentales limitées sur les propriétés électriques DC et les caractéristiques d'interface des dispositifs à grille BST. De plus, aucun travail préalable n'a systématiquement comparé les propriétés électriques des dispositifs MOS-HEMT à grille BST à deux et trois terminaux pour évaluer l'impact de la formation du BST sur les phénomènes de transport et le fonctionnement du dispositif.

Méthodologie
L'étude a utilisé des plaquettes (wafers) de HEMT AlGaN/GaN disponibles commercialement, cultivées par dépôt chimique en phase vapeur organique (MOCVD). Le processus de fabrication impliquait deux configurations de dispositifs distinctes :

1. Dispositifs à deux terminaux : Conçus pour analyser les propriétés électriques de la structure AlGaN/GaN avant et après le dépôt de BST. Des contacts ohmiques (Al/Cr/Au) ont été profilés par photolithographie et évaporation thermique, suivis d'un recuit thermique rapide (RTA) à 870 °C. Les films de BST ont ensuite été déposés dans la région de la grille par pulvérisation cathodique par magnétron RF.
2. MOS-HEMT à trois terminaux : Construits sur les structures à deux terminaux, ces dispositifs intégraient une seconde étape de photolithographie pour définir la région de la grille. Une pile de grille Ni/Au (10 nm/50 nm) a été déposée sur la couche de BST pour former la grille MOS, tandis que des piles Al/Cr/Au servaient de contacts source et drain. Les dimensions du canal étaient d'environ 100 μm de longueur et 25 μm de largeur.

La caractérisation électrique a été réalisée à l'aide d'une unité de mesure source (SourceMeter) bi-canal Keithley 2634B à température ambiante. Les dispositifs à deux terminaux ont été testés via des balayages I-V symétriques de ±1 V à ±12 V. Les dispositifs à trois terminaux ont été caractérisés à l'aide de courbes de sortie (Ids–Vds) et de courbes de transfert (Ids–Vgs) pour extraire les paramètres critiques tels que la tension de seuil, la transconductance et les rapports de courant on/off.

Résultats Clés

• Caractérisation à deux terminaux : Les caractéristiques I-V des dispositifs à deux terminaux ont démontré une transition d'un comportement ohmique quasi linéaire vers un état de résistance nettement plus élevé après le dépôt de BST. Pour n'importe quel balayage de tension donné (ex. : ±12 V), le courant a diminué d'environ un ordre de grandeur (ex. : de 9,85 mA à 0,517 mA), confirmant les propriétés de blocage et d'isolation efficaces de la couche de BST.
• Caractérisation à trois terminaux : Le MOS-HEMT à grille BST fabriqué a présenté un contrôle efficace de la grille sur le courant de drain.
  • Tension de seuil ($V_{th}$) : Extraite à environ 0,028 V, indiquant un dispositif opérant proche du mode normalement passant (normally-on).
  • Niveaux de courant : Le courant à l'état passant ($I_{ON}$) a été mesuré à 5,76 × 10⁻⁸ A à $V_{gs} = 0,7$ V, tandis que le courant à l'état bloqué ($I_{OFF}$) était de 3,475 × 10⁻⁹ A à $V_{gs} = -4$ V et $V_{ds} = 1$ V. Cela a produit un rapport de courant on/off d'environ 16.
  • Transconductance : La transconductance maximale ($g_m$) a été enregistrée à 4,03 × 10⁻⁶ S à $V_{ds} = 20$ V.
  • Caractéristiques de sortie : Le courant de drain ($I_{ds}$) a augmenté progressivement de $4,715 \times 10^{-4}$ A à $9,347 \times 10^{-4}$ A lorsque $V_{gs}$ variait de -4 V à +4 V à une valeur fixe de $V_{ds}$ de 20 V.

Signification et Revendications
L'article affirme que la fabrication et la caractérisation DC réussies des MOS-HEMT AlGaN/GaN à grille BST fournissent un aperçu approfondi de la viabilité du BST en tant qu'isolant de grille. L'étude démontre que l'incorporation de la couche high-k de BST réduit efficacement le courant de fuite et permet la modulation par la grille du canal de gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG). En comparant les configurations à deux et trois terminaux, ce travail comble une lacune dans la littérature concernant les performances DC des dispositifs à base de BST, en traitant spécifiquement de l'absence de données sur les phénomènes de transport d'interface et les propriétés électriques comparatives de ces topologies de dispositifs spécifiques. Les résultats valident la formation fonctionnelle du 2DEG sous l'hétérostructure BST/AlGaN et suggèrent que le BST est un candidat prometteur pour améliorer les propriétés électriques DC des dispositifs à base de GaN.