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

Technische Samenvatting: Fabricage en DC-karakterisering van BST-gegate AlGaN/GaN MOS-HEMT-structuren

Probleemstelling
Hoewel Galliumnitride (GaN)-gebaseerde AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors (HEMT's) superieure prestaties bieden in vermogenselektronica en hoogfrequente toepassingen vanwege hun brede bandgap en hoge elektronmobiliteit, lijden traditionele Schottky-gate-structuren aan aanzienlijke beperkingen. Deze omvatten substantiële gate-lekstroom, drempelspanninginstabiliteit, oppervlakte-toestand-trapping en current collapse, met name onder hoge elektrische velden. Om deze problemen aan te pakken, worden Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) structuren gebruikmakend van diëlektrische lagen ingezet om de elektrostatische controle te verbeteren en lekstromen te verminderen. Hoewel high-k diëlektrica zoals SiNx, Al₂O₃ en HfO₂ veel worden onderzocht, is er een gebrek aan gepubliceerde onderzoeken met betrekking tot Barium Strontium Titanaat (BST) als gate-diëlektricum voor AlGaN/GaN MOS-HEMT's. Bestaande literatuur richt zich grotendeels op RF-prestaties of doorslagspanning, met beperkte experimentele gegevens over de DC-elektrische eigenschappen en interface-karakteristieken van BST-gegateerde toestellen. Bovendien heeft geen enkel eerder werk systematisch de elektrische eigenschappen van twee-terminale en drie-terminale BST-gegateerde MOS-HEMT's vergeleken om de impact van BST-vorming op transportverschijnselen en apparaatwerking te evalueren.

Methodologie
De studie maakte gebruik van commercieel beschikbare AlGaN/GaN HEMT-wafers gegroeid via Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD). Het fabricageproces omvatte twee onderscheidende apparaatconfiguraties:

1. Twee-terminale toestellen: Ontworpen om de elektrische eigenschappen van de AlGaN/GaN-structuur te analyseren vóór en na de BST-depositie. Ohmse contacten (Al/Cr/Au) werden gepatroneerd met behulp van fotolithografie en thermische verdamping, gevolgd door Rapid Thermal Annealing (RTA) bij 870 °C. BST-films werden vervolgens in de gate-regio gedeponeerd met behulp van RF magnetron sputtering.
2. Drie-terminale MOS-HEMT's: Gebouwd op de twee-terminale structuren, bevatten deze toestellen een tweede fotolithografiestap om de gate-regio te definiëren. Een Ni/Au (10 nm/50 nm) gate-stack werd over de BST-laag gedeponeerd om de MOS-gate te vormen, terwijl Al/Cr/Au-stacks dienden als source- en drain-contacten. De kanaaldimensies waren ongeveer 100 μm in lengte en 25 μm in breedte.

Elektrische karakterisering werd uitgevoerd met een Keithley 2634B Dual-Channel SourceMeter Unit bij kamertemperatuur. Twee-terminale toestellen werden getest via symmetrische I-V sweeps van ±1 V tot ±12 V. Drie-terminale toestellen werden gekarakteriseerd met behulp van outputcurves (Ids–Vds) en transfercurves (Ids–Vgs) om kritieke parameters zoals drempelspanning, transconductantie en on/off-stroomratio's te extraheren.

Belangrijkste Resultaten

• Twee-terminale Karakterisering: De I-V-karakteristieken van de twee-terminale toestellen vertoonden een overgang van bijna-lineair ohmse gedrag naar een significant hogere weerstandstoestand na BST-depositie. Bij elke gegeven spanningssweep (bijv. ±12 V) nam de stroom met ongeveer één orde grootte af (bijv. van 9,85 mA naar 0,517 mA), wat de effectieve blokkerende en isolerende eigenschappen van de BST-laag bevestigt.
• Drie-terminale Karakterisering: De gefabriceerde BST-gegateerde MOS-HEMT vertoonde effectieve gate-controle over de drainstroom.
  • Drempelspanning ($V_{th}$): Geëxtraheerd als ongeveer 0,028 V, wat duidt op een apparaat dat dicht bij de normally-on modus werkt.
  • Stroomniveaus: De on-state stroom ($I_{ON}$) werd gemeten op 5,76 × 10⁻⁸ A bij $V_{gs} = 0,7$ V, terwijl de off-state stroom ($I_{OFF}$) 3,475 × 10⁻⁹ A was bij $V_{gs} = -4$ V en $V_{ds} = 1$ V. Dit leverde een on/off-stroomratio op van ongeveer 16.
  • Transconductantie: De maximale transconductantie ($g_m$) werd geregistreerd als 4,03 × 10⁻⁶ S bij $V_{ds} = 20$ V.
  • Outputkarakteristieken: De drainstroom ($I_{ds}$) nam geleidelijk toe van $4,715 \times 10^{-4}$ A naar $9,347 \times 10^{-4}$ A naarmate $V_{gs}$ varieerde van -4 V naar +4 V bij een vaste $V_{ds}$ van 20 V.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert dat de succesvolle fabricage en DC-karakterisering van BST-gegateerde AlGaN/GaN MOS-HEMT's een grondig inzicht biedt in de levensvatbaarheid van BST als gate-isolator. De studie toont aan dat de integratie van de high-k BST-laag de lekstroom effectief vermindert en gate-modulatie van het twee-dimensionale elektronengas (2DEG) kanaal mogelijk maakt. Door twee-terminale en drie-terminale configuraties te vergelijken, vult het werk een gat in de literatuur met betrekking tot de DC-prestaties van BST-gebaseerde toestellen, specifiek gericht op het gebrek aan gegevens over interface-transportverschijnselen en de vergelijkende elektrische eigenschappen van deze specifieke apparaattopologieën. De resultaten valideren de functionele vorming van de 2DEG onder de BST/AlGaN-heterostructuur en suggereren dat BST een veelbelovende kandidaat is voor het verbeteren van de DC-elektrische eigenschappen van GaN-gebaseerde toestellen.