【氮化镓】利用Ga2O3缓冲层改善SiC衬底AlN/GaN/AlGaN HEMT器件性能

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Micro and Nanostructures 189 (2024) 207815文献于阅读总结。

本文是关于使用SiC衬底AlN/GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的研究，特别是探讨了不同缓冲层对器件性能的影响，以应用于高速射频（RF）应用。研究主要关注如何选择一个成本效益高、厚度超过1微米且缺陷较少的缓冲层，以改善直流（DC）和射频（RF）性能。研究中特别提到了使用β-Ga2O3（β-氧化镓）作为高质量缓冲材料的优势，因为它与AlGaN合金和SiC有很好的晶格匹配，有助于制造成本效益高、可靠的HEMT。

研究结果表明，与GaN缓冲层相比，β-Ga2O3缓冲层的HEMT在漏电流方面有显著降低，并且在漏极电流（2.3 A/mm）、跨导（603 S/mm）和截止频率（486 GHz）方面表现更优。这些性能的提升使得β-Ga2O3缓冲层的HEMT非常适合用于成本效益高的未来的高速RF应用。

论文还讨论了T型栅极的影响，以及栅极到漏极长度（LGD）和栅极到源极长度（LGS）在横向尺寸上的缩放对器件性能的影响。通过数值模拟软件Silvaco ATLAS TCAD对器件性能进行了分析。

此外，论文还提到了III-氮化物化合物半导体材料的优越性质，以及GaN材料在光电子市场、毫米波功率放大器、功率转换器和开关中的应用。GaN HEMT在航空航天和国防应用中的日益普及，以及它们在雷达系统、电子战设备和卫星通信系统中的高功率密度、宽带宽和对恶劣环境的韧性。

论文的结论是，通过对比分析GaN缓冲层和β-Ga2O3缓冲层的HEMT，发现后者在减少漏电流、提高电子限制在量子阱中的能力方面表现更好，从而在缩放横向尺寸时提高了频率性能，这使得β-Ga2O3缓冲层的HEMT成为低成本RF应用的推荐选择。

研究背景：III族氮化物半导体材料因其优异的物理特性，在下一代半导体电子器件中扮演着重要角色。氮化镓（GaN）在光电子学市场已经证明了其潜力，并且在毫米波功率放大器、功率转换器和开关等应用中得到了越来越多的关注。
研究目的：本研究主要关注选择一种成本效益高的缓冲层材料，厚度超过1微米且缺陷较少，以改善直流（DC）/射频（RF）性能。研究中特别提到了β-氧化镓（β-Ga2O3）作为一种高质量的缓冲层材料，它与AlGaN合金和SiC具有良好的晶格匹配。
实验设计：研究比较了使用GaN缓冲层和β-Ga2O3缓冲层的AlN/GaN/AlGaN HEMT。实验中使用了T型栅极，并对栅极到漏极（LGD）和栅极到源极（LGS）的长度进行了横向缩放研究。
结果：使用β-Ga2O3缓冲层的HEMT在漏极电流（2.3 A/mm）、跨导（603 S/mm）和截止频率（486 GHz）方面表现出显著的优势。这些性能的提升有助于在成本效益高的高速RF应用中使用这种HEMT器件。
结论：通过对比分析，发现使用β-Ga2O3缓冲层的HEMT在直流和射频性能方面均优于使用GaN缓冲层的HEMT。β-Ga2O3缓冲层的HEMT在漏极电流、跨导和截止频率方面分别高出19%、16%和11%。
设备结构和模拟模型：论文详细介绍了设备的结构和模拟模型，包括AlN/GaN/AlGaN和AlN/GaN/AlGaN/β-Ga2O3 HEMT的结构图和模拟参数。
材料参数：列出了用于TCAD模拟的材料参数，包括带隙、电子饱和速度、电子迁移率、相对介电常数和价带态密度。