Тхан Пьо Чжо

Институт квантовой физики и наноэлектроники Национального исследовательского университета «МИЭТ»  (Москва, Россия) 

Постановка проблемы. Развитие передовых стандартов связи и современных цифровых телекоммуникационных систем требуют постоянного улучшения характеристик СВЧ-устройств с точки зрения выходной мощности, полосы пропускания, эффективности и точности воспроизведения сигнала. Наиболее перспективный материал как для оптических, так и для микроволновых применений высокой мощности сегодня – GaN. Превосходные транспортные свойства электронов материала GaN расширяют область применения GaN-технологии от коммерческих до военных целей. На работу транзистора большое влияние оказывает конструкция буферного слоя. Проводящий канал HEMT GaN выращивают на толстом буферном слое – высокоомном GaN-слое, нелегированном или легированном глубокими примесями.

Цель. Исследовать влияние легирования буферного слоя GaN углеродом на эффект лавинного пробоя нормально открытых HEMT AlGaN/AlN/GaN-транзисторов.

Результаты. Исследовано влияние буферного слоя GaN, легированного углеродом, на эффект лавинного пробоя нормально открытых HEMT AlGaN/AlN/GaN-транзисторов. Проведено моделирование лавинного пробоя в структуре, где длина затвора  LG = 0,3 мкм, расстояние между истоком и затвором LSG = 1,5 мкм, расстояние между затвором и стоком LGD = 2,2 мкм. Рассмотрен легированный углеродом слой, толщина которого равна 0,3 мкм, расположенный на расстоянии 20 нм от канала. Моделирование показало, что с увеличением концентрации легирования буфера углеродом напряжение пробоя возрастает в интервале UB = 225 – 360 В. При увеличении толщины слоя до 0,4 мкм напряжение пробоя возрастает в интервале UB = 230– 446 В. Для структуры, где длина затвора LG = 0,8 мкм, расстояние между истоком и затвором LSG = 1,0 мкм, расстояние между затвором и стоком LGD = 3,0 мкм, напряжение пробоя возрастает в интервале UB = 300–622 В.

Практическая значимость. Моделирование лавинного пробоя выявило на возможность повышения напряжения пробоя до 500–600 В при использовании ступенчатого легирования буфера углеродом для HEMT AlGaN/GaN-транзистора. Благодаря отличным физическим свойствам материала GaN вместе с его способностью создавать гетероструктуры GaN-устройства могут работать на более высоких частотах. 

Тхан Пьо Чжо. Исследование влияния легирования буферного слоя GaN углеродом на эффект лавинного пробоя нормально открытых HEMT AlGaN/AlN/GaN-транзисторов // Наукоемкие технологии. 2021. Т. 22. № 2. С. 16−23. DOI: https://doi.org/ 10.18127/ j19998465-202102-02

1. Uren M.J., Nash K.J., Balmer R.S., Martin T., Morvan E., Caillas N., Delage S.L., Ducatteau D., Grimbert B., De Jaeger J.C. Punch-Through in Short-Channel AlGaN/GaN HFETs. IEEE Transactions on Electron Devices. 2006. V. 53. № 2. P. 395–398.
2. Horio K., Nakajima A. Physical Mechanism of Buffer-Related Current Transients and Current Slump in AlGaN/GaN High Electron Mobility Transistors. Japanese Journal of Applied Physics. 2008. V. 47. № 5. P. 3428–3433.
3. Bisi D., Meneghini M., de Santi C., Chini A., Dammann M., Brückner P., Mikulla M., Meneghesso G., Zanoni E. Deep-Level Characterization in GaN HEMTs-Part I: Advantages and Limitations of Drain Current Transient Measurements. IEEE Transactions on electron devices. OCTOBER 2013. V. 60. № 10. P. 3166–3175.
4. Kawada Y., Hanawa H., Horio K. Effects of acceptors in a Fe-doped buffer layer on breakdown characteristics of AlGaN/GaN high electron mobility transistors with a high-k passivation layer. Japanese Journal of Applied Physics. 2017. V. 56. P. 108003.
5. Huang T., Bergsten J., Thorsell M., Rorsman N. Small- and Large-Signal Analyses of Dierent Low-Pressure-Chemical-VaporDeposition SiNx Passivations for Microwave GaN HEMTs. IEEE Transactions on Electron Devices. 2018. V. 65. Is. 3. P. 908–914.
6. Bergsten J., Chen J.-T., Gustafsson S., Malmros A., Forsberg U., Thorsell M., Janzen E., Rorsman N. Performance Enhancement of Microwave GaN HEMTs Without an AlN-exclusion Layer Using an Optimized AlGaN/GaN Interface Growth Process. IEEE Transactions on Electron Devices. 2015. V. 63. Is. 1. P. 333–338.
7. Fariza A., Lesnik A., Neugebauer S., Wieneke M., Hennig J., Blasing J., Witte H., Dadgar A., Strittmatter A. Leakage currents and Fermi-levels hifts in GaN layers up on iron and carbon-doping. Journal of Applied Physics 2017. V. 122. P. 025704.
8. Poblenz C., Waltereit P., Rajan S., Heikman S., Mishra U.K., Speck J.S. Effect of carbon doping on buffer leakage in AlGaN/GaN high electron mobility transistors. J. Vac. Sci. Technol. 2004. V. B22. P. 1145.
9. Мартынов Я.Б., Синкевич В.Ф. Лавинный пробой и лавинно-инжекционная неустойчивость в AlGaN-GaN полевых транзисторах // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2018. Т. 1. С. 53–57.
10. Kozlov N.A., Sinkevitch V.F., Vashchenko V.A. Isothermal current instability and local breakdown in GaAs FET. Electron. Lett. 1992. № 28. С. 1265–1267.
11. Martynov Y. B., Tager A.S. Isothermal electric breakdown in MESFET’s and MODFET’s. 19’th Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits. Stockholm, Sweden. May 21–24. 1995.
12. Kozlov N.A., Martynov Y.B., Sinkevitch V.F., Tager A.S., Vashchenko V.A. Negative differential conductivity and isothermal drain breakdown of GaAs MESFET’s. IEEE Transactions on Electron Devices. 1996. V. ED-43. № 4. P. 513–518.
13. Shinya Akiyama, Masahiro Kondo, Leona Wada, Kazushige Horio. Analysis of breakdown voltage of field-plate AlGaN/GaN HEMTs as affected by buffer layer’s acceptor density. Japanese Journal of Applied Physics. 2019. V. 58. P. 068003.
14. Fariza A., Lesnik A., Neugebauer S., Wieneke M., Hennig J., Blasing J., Witte H., Dadgar A., Strittmatter A. Leakage currents and Fermi-level shifts in GaN layers upon iron and carbon-doping, Journal of Applied Physic. 2017. V. 122. P. 025704.
15. Koller Ch., Pobegen G., Ostermaier C., Huber M., Pogany D. The interplay of blocking properties with charge and potential redistribution in thin carbon-doped GaN on n-doped GaN layers. Applied Physics Letters. 2017. V. 111. № 3. P. 1–6.