Nelle bande millimetriche (banda W: 75–110GHz; Banda E: 60–90GHz), le cifre di frequenza (ft e fmₐₓ) degli HEMT basati su GaN dipendono in modo critico dal rapporto d'aspetto tra lunghezza del gate (Lg) e distanza gate-to-channel (dge). Man mano che la Lg viene ridotta a dimensioni submicroniche e persino di cento nanometri, la soppressione degli effetti di canale corto richiede una riduzione simultanea della DGE, che richiede una struttura a barriera ultrasottile.

Le eterogiunzioni convenzionali AlGaN/GaN affrontano limitazioni fisiche intrinseche in questo scenario: quando lo spessore della barriera scende sotto i 10nm, la densità di fogli di gas elettronico bidimensionale (2DEG) indotta dalla polarizzazione metallo-piezoelettrica decade esponenzialmente, portando a una grave degradazione della conduttanza del canale. Al contrario, le leghe ternari InAlN con una composizione In di circa il 17%–18% sono reticolari abbinate al GaN, e le loro polarizzazioni spontanee e piezoelettriche sono significativamente più forti rispetto a quelle dell'AlGaN dello stesso spessore. Questa proprietà unica consente alle eterogiunzioni HEMT InAlN/GaN di mantenere un'elevata densità di 2DEG (>10¹³cm⁻²) anche con una barriera ultrasottile di 5–6nm, fornendo una piattaforma materiale ideale per superare il collo di bottiglia di scala per i dispositivi a onde millimetriche.

Power Wafertech Group ha sviluppato una wafer epitassiale a eterogiunzione InAlN/GaN su substrati di silicio (Si), zaffiro e carburo di silicio (SiC) utilizzando la tecnologia di deposizione chimica a vapore metallo-organico (MOCVD). Supportiamo progetti personalizzati, da composizioni a reticolo abbinate a formulazioni ad alto contenuto di contenuto, adattate a diversi scenari di applicazione di frequenza e potenza. Prendendo come esempio specifico la struttura epitassiale InAlN/GaN HEMT basata su zaffiri:

1. Specifiche Epitassiali InAlN/GaN HEMT basate su zaffiro

Rispetto a una barriera AlGaN dello stesso spessore, la wafer InAlN/GaN mostra un aumento superiore della densità di carica del canale con la stessa distanza di controllo del gate, il che si traduce direttamente in un miglioramento della transconduttanza e del potenziale di frequenza di taglio.

2. Soppressione della separazione di fase e ingegneria delle deformazione nell'epitassia InAlN

La crescita di InAlN nel MOCVD affronta limitazioni termodinamiche del gap di miscibilità, con una tendenza intrinseca alla separazione delle fasi nelle regioni ricche di In-rich (xIn> 0,5). Per evitare precipitazioni in fase secondaria e garantire l'integrità strutturale dello strato barriera, abbiamo integrato le seguenti misure fondamentali nel nostro schema di processo:

(1) Controllo accoppiato della temperatura di crescita e dei flussi sorgente: impostando con precisione la finestra di temperatura di crescita (~706°C) e il rapporto di flusso molare TMIn/TMAl, la composizione In rimane bloccata nell'intervallo a reticolo, evitando termodinamicamente la regione instabile del gap di miscibilità. Non si osservano picchi di diffrazione in fase secondaria nelle curve di oscillazione XRD (0002), confermando l'epitassia monofase.

(2) Ingegneria dell'orientamento dei substrati: Abbiamo verificato gli effetti sia dei substrati zaffiri on-axis che di 4° off-asse. I substrati on-axis sono favorevoli per ridurre la densità complessiva di dislocazioni di threading, mentre i substrati fuori asse possono sopprimere la formazione di collinetti sulle superfici N-polari.

(3) Integrazione dello strato di passivazione Si₃N₄ in situ: Può essere integrato uno strato dielettrico opzionale in situ Si₃N₄ con uno spessore di circa 5nm. Questo strato sottile può fungere sia da dielettrico di gate MIS sia come strato di passivazione superficiale, fissando efficacemente gli stati superficiali e riducendo le perdite RF. Grazie al suo spessore molto ridotto, questo strato dielettrico può essere rimosso tramite incisione a secco selettiva o penetrato direttamente per la formazione di contatti ohmici, rendendolo compatibile con varie modalità di fabbricazione da parte del cliente.

3. Verifica delle prestazioni a livello di dispositivo degli HEMT InAlN/GaN

Sakharova et al. (2018) hanno fabbricato dispositivi HEMT (Lg = 0,5μm, Wg = 200μm, spaziatura sorgente-drenaggio = 4μm) basati su epische InAlN/AlN/GaN on-zaffiro. I risultati dei test I-V pulsati (larghezza dell'impulso 250 ns) e DC sono i seguenti:

Corrente di drenaggio massima saturata (Id,max): ≥1,27A/mm

Trasconduttanza di picco (gm,max): ≥450mS/mm

Uniformità di tensione soglia: deviazione standard all'interno del wafer di Vth

I test RF a piccolo segnale (Vds = 15–20V, Id = 0,1A/mm) mostrano che, rispetto ai campioni di riferimento AlGaN della stessa struttura, il fmax dei campioni InAlN/GaN aumenta significativamente con l'introduzione della composizione In. Questo vantaggio prestazionale è attribuito al migliorato rapporto d'aspetto del gate e al confinamento del canale più forte sotto la barriera ultrasottile. Inoltre, la versione MIS-HEMT con dielettrico di gate Si₃N₄ in situ fornisce uno spostamento positivo aggiuntivo di 3–4V nella tensione soglia, offrendo flessibilità per la progettazione di dispositivi in modalità miglioramento.

La nostra azienda offre capacità di fornitura epitassiale che vanno da piccoli lotti su scala R&S a lotti ingegneristici su scala di produzione, con aggiustamenti flessibili dei parametri basati sulla banda di frequenza target e sul livello di potenza dei dispositivi del cliente. Per soluzioni epitassiali personalizzate, contatta il nostro team tecnico di vendita.

Riferimenti:

1. Hasenöhrl, S., Blaho, M., Dobročka, E., Gucmann, F., Kučera, M., Nádaždy, P., ... & Kuzmík, J. (2023). Crescita di InAlN N-polare In-rich tramite deposizione chimica di vapore metallico organico su zaffiro su e fuori asse. Scienza dei materiali nella lavorazione dei semiconduttori, 156, 107290.

2. Sakharov, A. V., Lundin, W. V., Zavarin, E. E., Zakheim, D. A., Usov, S. O., Tsatsulnikov, A. F., ... & Velikovskiy, L. E. (2018). Eterostrutture a barriera ultrasottile InAlN/GaN per HEMT. Semiconduttori, 52(14), 1843-1845.