近日，來(lái)自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研發(fā)人員成功將氮化鎵材料應(yīng)用于平面柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管（IPGFET），此器件主要應(yīng)用于高頻射頻應(yīng)用。該器件的獨(dú)特之處在于采用了柵極（gate）與溝道（channel）在相同平面的設(shè)計(jì)，并且溝道和柵極之間沒(méi)有氧化層隔離，而是采用了空氣隔離的結(jié)構(gòu)。
圖1 165nm寬 250nm長(zhǎng)的IPGFET橫截面圖（a）與俯視掃描電鏡圖（SEM）（b）（c）（d）研究?jī)?nèi)容研發(fā)人員表示，高頻設(shè)備同時(shí)需要極小的柵極電容與較大的跨導(dǎo)gm（相當(dāng)于比較小的電阻，跨導(dǎo)與電阻相反）。這些特征正好是IPGFET的優(yōu)點(diǎn)。
盡管IPGFET可以采用其他的半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)，但是該研究是首次采用了III族氮化物來(lái)生長(zhǎng)高性能IPGFET，兼具高載流子密度和高擊穿電壓的特性。
器件結(jié)構(gòu)
如圖1所示，本次的器件結(jié)構(gòu)包括硅基襯底、3.75?m 氮化鎵（GaN）緩沖層、300nmGaN 溝道、8nm 氮化鋁（AlN）墊層以及23.5nm Al0.25Ga0.75N 阻擋層。二維電子氣（2DEG）結(jié)構(gòu)形成于頂部阻擋層與墊層的間隙之中，其擁有1.05x1013/cm2的載流子濃度、1690cm2/V-s電子遷移率以及平均350Ω的單位電阻。
器件的溝道、源極、漏極以及柵極均采用了電子束光刻與感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（ICP）的生長(zhǎng)方式，歐姆觸點(diǎn)采用鈦/鋁/鎳/金的合金材料。
器件特性
研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)于210nm蝕刻深度的樣品，在開(kāi)關(guān)比能夠達(dá)到107的同時(shí)漏電流控制在10pA（10-12A）的范圍之內(nèi)。而對(duì)于140nm蝕刻深度的樣品，漏電流就會(huì)比較高，但是總體水平還是小于100pA。
對(duì)于電容而言，溝道尺寸寬度在20-85nm的深蝕刻樣品電容更低，范圍在0.7-3.9 aF（10-18F），相似規(guī)格的淺蝕刻樣品電容范圍是2.2-9.4aF。但是總體水平都在極低的范圍內(nèi)，這一特性非常適合高頻射頻應(yīng)用。研究人員預(yù)計(jì)這種樣品的截止頻率可以高達(dá)0.89 THz。
與此同時(shí)，對(duì)于使用銦鎵砷（InGaAs）材料的IPGFET，采用了III族-氮化物的樣品（50nm長(zhǎng) 85nm寬）漏極電流（Ids）可以達(dá)到1.4A/mm，近乎9倍的性能提升。因此，GaN IPGFET 擁有更大的載流子密度。
除此之外，對(duì)于溝道寬度為20nm的IPGFET，跨導(dǎo)gm的峰值可以達(dá)到665mS/mm，這一數(shù)值是之前記錄的5倍，主要原因是柵極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。
圖2 165nm寬 250nm長(zhǎng)的IPGFET 漏極和柵極電流特性圖如圖2所示，在-11V 的柵極電壓下，IPGFET的漏電流在300V之前一直維持在較低的水平，并且在500V的時(shí)候擊穿。由于漏極與柵極都是歐姆接觸結(jié)構(gòu)，Ids和Ig的曲線一直都維持在相似的水平。
參考文獻(xiàn)
G. Santoruvo and E. Matioli,"In-Plane-Gate GaN Transistors for High-Power RF Applications," in IEEE Electron Device Letters, vol. PP, no. 99, pp. 1-1.
doi: 10.1109/LED.2017.2737658
