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

Sintesi Tecnica: Fabbricazione e Caratterizzazione DC di Strutture MOS-HEMT AlGaN/GaN con Gate in BST

Definizione del Problema
Sebbene gli High Electron Mobility Transistors (HEMT) AlGaN/GaN basati su Nitruro di Gallio (GaN) offrano prestazioni superiori nell'elettronica di potenza e nelle applicazioni ad alta frequenza grazie al loro ampio bandgap e all'elevata mobilità elettronica, le tradizionali strutture a gate Schottky soffrono di limitazioni significative. Queste includono una sostanziale corrente di fuga del gate, instabilità della tensione di soglia, intrappolamento di stati superficiali e collasso della corrente, particolarmente sotto campi elettrici elevati. Per affrontare questi problemi, vengono impiegate strutture Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) che utilizzano strati dielettrici per migliorare il controllo elettrostatico e ridurre le perdite. Sebbene siano comunemente esplorati dielettrici ad alta costante dielettrica (high-k) come SiNx, Al₂O₃ e HfO₂, esiste una scarsità di ricerche pubblicate riguardanti il Titanato di Bario e Stronzio (BST) come dielettrico di gate per MOS-HEMT AlGaN/GaN. La letteratura esistente si concentra ampiamente sulle prestazioni RF o sulla tensione di breakdown, con dati sperimentali limitati sulle proprietà elettriche DC e sulle caratteristiche di interfaccia dei dispositivi con gate in BST. Inoltre, nessun lavoro precedente ha confrontato sistematicamente le proprietà elettriche di MOS-HEMT con gate in BST a due terminali e a tre terminali per valutare l'impatto della formazione del BST sui fenomeni di trasporto e sul funzionamento del dispositivo.

Metodologia
Lo studio ha utilizzato wafer AlGaN/GaN HEMT disponibili commercialmente, cresciuti tramite Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD). Il processo di fabbricazione ha coinvolto due diverse configurazioni di dispositivo:

1. Dispositivi a due terminali: Progettati per analizzare le proprietà elettriche della struttura AlGaN/GaN prima e dopo la deposizione di BST. I contatti ohmici (Al/Cr/Au) sono stati modellati tramite fotolitografia ed evaporazione termica, seguiti da Rapid Thermal Annealing (RTA) a 870 °C. I film di BST sono stati successivamente depositati nella regione del gate utilizzando lo sputtering magnetronico RF.
2. MOS-HEMT a tre terminali: Costruiti sopra le strutture a due terminali, questi dispositivi incorporavano un secondo passaggio di fotolitografia per definire la regione del gate. Uno stack di gate Ni/Au (10 nm/50 nm) è stato depositato sopra lo strato di BST per formare il gate MOS, mentre gli stack Al/Cr/Au fungevano da contatti di source e drain. Le dimensioni del canale erano di circa 100 μm di lunghezza e 25 μm di larghezza.

La caratterizzazione elettrica è stata eseguita utilizzando un Keithley 2634B Dual-Channel SourceMeter Unit a temperatura ambiente. I dispositivi a due terminali sono stati testati tramite sweep I-V simmetrici da ±1 V a ±12 V. I dispositivi a tre terminali sono stati caratterizzati mediante curve di uscita (Ids–Vds) e curve di trasferimento (Ids–Vgs) per estrarre parametri critici quali la tensione di soglia, la transconduttanza e i rapporti di corrente on/off.

Risultati Chiave

• Caratterizzazione a due terminali: Le caratteristiche I-V dei dispositivi a due terminali hanno dimostrato una transizione da un comportamento ohmico quasi lineare a uno stato a resistenza significativamente più elevata dopo la deposizione di BST. Ad ogni sweep di tensione (ad esempio, ±12 V), la corrente è diminuita di circa un ordine di grandezza (ad esempio, da 9,85 mA a 0,517 mA), confermando le proprietà isolanti e di blocco efficaci dello strato di BST.
• Caratterizzazione a tre terminali: Il MOS-HEMT con gate in BST fabbricato ha esibito un controllo efficace del gate sulla corrente di drain.
  • Tensione di soglia ($V_{th}$): Estratta a circa 0,028 V, indicando un dispositivo che opera vicino alla modalità normalmente-on.
  • Livelli di corrente: La corrente nello stato ON ($I_{ON}$) è stata misurata a 5,76 × 10⁻⁸ A per $V_{gs} = 0,7$ V, mentre la corrente nello stato OFF ($I_{OFF}$) era di 3,475 × 10⁻⁹ A per $V_{gs} = -4$ V e $V_{ds} = 1$ V. Ciò ha prodotto un rapporto di corrente on/off di circa 16.
  • Transconduttanza: La transconduttanza massima ($g_m$) è stata registrata come 4,03 × 10⁻⁶ S a $V_{ds} = 20$ V.
  • Caratteristiche di uscita: La corrente di drain ($I_{ds}$) è aumentata gradualmente da $4,715 \times 10^{-4}$ A a $9,347 \times 10^{-4}$ A al variare di $V_{gs}$ da -4 V a +4 V a un valore fisso di $V_{ds}$ di 20 V.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo afferma che la riuscita fabbricazione e la caratterizzazione DC di MOS-HEMT AlGaN/GaN con gate in BST forniscono una visione approfondita sulla fattibilità del BST come isolante di gate. Lo studio dimostra che l'incorporazione dello strato high-k di BST riduce efficacemente la corrente di fuga e consente la modulazione del gate del canale dell'elettrone bidimensionale (2DEG). Confrontando le configurazioni a due e tre terminali, il lavoro colma una lacuna nella letteratura riguardante le prestazioni DC dei dispositivi basati su BST, affrontando specificamente la mancanza di dati sui fenomeni di trasporto all'interfaccia e sulle proprietà elettriche comparative di queste specifiche topologie di dispositivo. I risultati validano la formazione funzionale del 2DEG sotto l'eterostruttura BST/AlGaN e suggeriscono che il BST sia un candidato promettente per migliorare le proprietà elettriche DC dei dispositivi basati su GaN.