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

Resumo Técnico: Fabricação e Caracterização DC de Estruturas MOS-HEMT AlGaN/GaN com Porta de BST

Definição do Problema
Embora os transistores de alta mobilidade eletrônica (HEMTs) de AlGaN/GaN baseados em Nitreto de Gálio (GaN) ofereçam desempenho superior em eletrônica de potência e aplicações de alta frequência devido ao seu amplo bandgap e alta mobilidade eletrônica, as estruturas tradicionais de porta Schottky sofrem de limitações significativas. Estas incluem corrente de fuga de porta substancial, instabilidade da tensão de limiar, estados de superfície (trapping) e colapso de corrente, particularmente sob campos elétricos elevados. Para abordar estas questões, estruturas de Metal-Óxido-Semicondutor (MOS) utilizando camadas dielétricas são empregadas para melhorar o controle eletrostático e reduzir a fuga. Embora dielétricos de alta constante dielétrica (high-k) como SiNx, Al₂O₃ e HfO₂ sejam comumente explorados, há uma escassez de pesquisas publicadas sobre o uso de Titanato de Bário Estrôncio (BST) como dielétrico de porta para AlGaN/GaN MOS-HEMTs. A literatura existente foca amplamente no desempenho de RF ou tensão de ruptura, com dados experimentais limitados sobre as propriedades elétricas DC e as características de interface dos dispositivos com porta de BST. Além disso, nenhum trabalho prévio comparou sistematicamente as propriedades elétricas de MOS-HEMTs de dois terminais e três terminais com porta de BST para avaliar o impacto da formação de BST nos fenômenos de transporte e na operação do dispositivo.

Metodologia
O estudo utilizou wafers de AlGaN/GaN HEMT comercialmente disponíveis, crescidos via Deposição Química de Vapor Metalorgânico (MOCVD). O processo de fabricação envolveu duas configurações distintas de dispositivos:

1. Dispositivos de Dois Terminais: Projetados para analisar as propriedades elétricas da estrutura AlGaN/GaN antes e após a deposição de BST. Contatos ôhmicos (Al/Cr/Au) foram padronizados usando fotolitografia e evaporação térmica, seguidos de Recozimento Térmico Rápido (RTA) a 870 °C. Filmes de BST foram subsequentemente depositados na região da porta usando sputtering de magnetron de RF.
2. MOS-HEMTs de Três Terminais: Construídos sobre as estruturas de dois terminais, estes dispositivos incorporaram uma segunda etapa de fotolitografia para definir a região da porta. Uma pilha de porta Ni/Au (10 nm/50 nm) foi depositada sobre a camada de BST para formar a porta MOS, enquanto pilhas de Al/Cr/Au serviram como contatos de fonte e dreno. As dimensões do canal foram de aproximadamente 100 μm de comprimento e 25 μm de largura.

A caracterização elétrica foi realizada utilizando um Unidade de Medição de Fonte (SMU) de Canal Duplo Keithley 2634B à temperatura ambiente. Os dispositivos de dois terminais foram testados via varreduras I-V simétricas de ±1 V a ±12 V. Os dispositivos de três terminais foram caracterizados usando curvas de saída (Ids–Vds) e curvas de transferência (Ids–Vgs) para extrair parâmetros críticos, como tensão de limiar, transcondutância e razões de corrente on/off.

Principais Resultados

• Caracterização de Dois Terminais: As características I-V dos dispositivos de dois terminais demonstraram uma transição de um comportamento ôhmico quase linear para um estado de resistência significativamente maior após a deposição de BST. Em qualquer varredura de tensão dada (ex: ±12 V), a corrente diminuiu aproximadamente uma ordem de magnitude (ex: de 9,85 mA para 0,517 mA), confirmando as propriedades isolantes e de bloqueio eficazes da camada de BST.
• Caracterização de Três Terminais: O MOS-HEMT com porta de BST fabricado exibiu controle de porta eficaz sobre a corrente de dreno.
  • Tensão de Limiar ($V_{th}$): Extraída como aproximadamente 0,028 V, indicando um dispositivo operando próximo ao modo normalmente-on.
  • Níveis de Corrente: A corrente no estado de condução ($I_{ON}$) foi medida em 5,76 × 10⁻⁸ A em $V_{gs} = 0,7$ V, enquanto a corrente no estado de corte ($I_{OFF}$) foi de 3,475 × 10⁻⁹ A em $V_{gs} = -4$ V e $V_{ds} = 1$ V. Isto resultou em uma razão de corrente on/off de aproximadamente 16.
  • Transcondutância: A transcondutância máxima ($g_m$) foi registrada como 4,03 × 10⁻⁶ S em $V_{ds} = 20$ V.
  • Características de Saída: A corrente de dreno ($I_{ds}$) aumentou gradualmente de $4,715 \times 10^{-4}$ A para $9,347 \times 10^{-4}$ A conforme $V_{gs}$ variou de -4 V a +4 V em um $V_{ds}$ fixo de 20 V.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a fabricação bem-sucedida e a caracterização DC de MOS-HEMTs AlGaN/GaN com porta de BST fornecem uma visão profunda sobre a viabilidade do BST como um isolante de porta. O estudo demonstra que a incorporação da camada de BST de alta constante dielétrica reduz efetivamente a corrente de fuga e permite a modulação de porta do canal do gás de elétrons bidimensional (2DEG). Ao comparar as configurações de dois e três terminais, o trabalho preenche uma lacuna na literatura quanto ao desempenho DC de dispositivos baseados em BST, abordando especificamente a falta de dados sobre os fenômenos de transporte de interface e as propriedades elétricas comparativas destas topologias específicas de dispositivos. Os resultados validam a formação funcional do 2DEG sob a heteroestrutura BST/AlGaN e sugerem que o BST é um candidato promissor para melhorar as propriedades elétricas DC de dispositivos baseados em GaN.