En las bandas de ondas milimétricas (banda W: 75–110 GHz; Banda E: 60–90GHz), las cifras de frecuencia (ft y fmₐₓ) de los HEMT basados en GaN dependen críticamente de la relación de aspecto entre la longitud de puerta (Lg) y la distancia puerta a canal (dge). A medida que Lg se reduce a dimensiones submicras e incluso de cien nanómetros, la supresión de los efectos de canal corto requiere una reducción simultánea de la DG, lo que requiere una estructura de barrera ultrafina.
Las heterouniones convencionales de AlGaN/GaN se enfrentan a limitaciones físicas intrínsecas en este escenario: cuando el grosor de la barrera cae por debajo de 10nm, la densidad de láminas bidimensionales de gas electrónico (2DEG) inducida por polarización metal-piezoeléctrica decae exponencialmente, lo que conduce a una degradación severa de la conductancia del canal. En contraste, las aleaciones ternarias InAlN con una composición In de aproximadamente el 17%–18% están emparejadas en red con GaN, y sus polarizaciones espontáneas y piezoeléctricas son significativamente más fuertes que las de AlGaN del mismo grosor. Esta propiedad única permite que las heterouniones HEMT InAlN/GaN mantengan una alta densidad de 2DEG (>10¹³cm⁻²) incluso con una barrera ultrafina de 5–6nm, proporcionando una plataforma material ideal para superar el cuello de botella de escalado de los dispositivos de ondas milimétricas.
Power Wafertech Group ha desarrollado obleas epitaxiales de heterounión InAlN/GaN sobre sustratos de silicio (Si), zafiro y carburo de silicio (SiC) utilizando tecnología de deposición química de vapor metal-orgánico (MOCVD). Apoyamos diseños personalizados, desde composiciones emparejadas en red hasta formulaciones de alto contenido, adaptadas a diferentes escenarios de aplicación en frecuencia y potencia. Tomando como ejemplo específico la estructura epitaxial InAlN/GaN HEMT basada en zafiros:
1. Especificaciones epitaxiales InAlN/GaN HEMT basadas en zafiros
| Capa Epi | Material | Grosor |
|---|---|---|
| Capa de Capa | GaN | * |
| Capa de barrera | InAlN | * |
| Capa de interfaz | AlN | 1,1 nm |
| Canal | GaN | * |
| Buffer | * | * |
| Sustrato | Zafiro | – |
En comparación con una barrera de AlGaN del mismo grosor, la oblea InAlN/GaN presenta una mayor mejora de densidad de carga del canal bajo la misma distancia de control de puerta, lo que se traduce directamente en una mejor transconductancia y potencial de frecuencia de corte.
2. Supresión de Separación de Fases e Ingeniería de Deformación en Epitaxia InAlN
El crecimiento de InAlN en MOCVD se enfrenta a limitaciones termodinámicas de la brecha de miscibilidad, con una tendencia intrínseca a separación de fases en regiones ricas en In-N (xIn> 0,5). Para evitar precipitaciones en fases secundarias y garantizar la integridad estructural de la capa barrera, hemos integrado las siguientes medidas centrales en nuestro esquema de proceso:
(1) Control acoplado de la temperatura de crecimiento y los flujos fuente: Al establecer con precisión la ventana de temperatura de crecimiento (~706°C) y la relación de flujo molar TMIn/TMAl, la composición In queda bloqueada dentro del rango de ajuste de red, evitando termodinámicamente la región inestable de la brecha de miscibilidad. No se observan picos de difracción en fase secundaria en curvas de balanceo XRD (0002), lo que confirma la epitaxia monofásica.
(2) Ingeniería de orientación de sustratos: Hemos verificado los efectos tanto de sustratos de zafiro en el eje como fuera de eje a 4°. Los sustratos en el eje son favorables para reducir la densidad total de dislocaciones de hilo, mientras que los sustratos fuera del eje pueden suprimir la formación de colinas en superficies N-polares.
(3) Integración de capa pasivación Si₃N₄ in situ: Se puede integrar una capa dieléctrica opcional in situ Si₃N₄ con un grosor de aproximadamente 5nm. Esta capa delgada puede servir tanto como dieléctrico de puerta MIS como como capa de pasivación superficial, fijando efectivamente los estados superficiales y reduciendo las pérdidas de RF. Debido a su grosor muy delgado, esta capa dieléctrica puede eliminarse mediante grabado selectivo en seco o penetrarse directamente para la formación de contacto óhmico, lo que la hace compatible con diversas rutas de fabricación por parte del cliente.
3. Verificación de rendimiento a nivel de dispositivo de HEMTs InAlN/GaN
Sakharova et al. (2018) fabricaron dispositivos HEMT (Lg = 0,5μm, Wg = 200μm, espaciamiento fuente-drenaje = 4μm) basados en epiferas InAlN/AlN/GaN sobre zafiro. Los resultados de las pruebas I-V pulsadas (ancho de pulso 250 ns) y DC son los siguientes:
Corriente máxima saturada de drenaje (Id,max): ≥1,27A/mm
Transconductancia máxima (gm, máx): ≥450mS/mm
Uniformidad de voltaje umbral: desviación estándar dentro de la oblea de Vth
Las pruebas de RF de señal pequeña (Vds = 15–20V, Id = 0,1A/mm) muestran que, en comparación con las muestras de referencia de AlGaN de la misma estructura, el fmax de las muestras InAlN/GaN aumenta significativamente con la introducción de composición In. Esta ventaja de rendimiento se debe a la mejora en la relación de aspecto de la puerta y a un mayor confinamiento de canal bajo la barrera ultrafina. Además, la versión MIS-HEMT con dieléctrico de puerta Si₃N₄ in situ proporciona un desplazamiento positivo adicional de 3–4V en el voltaje umbral, ofreciendo flexibilidad para el diseño de dispositivos en modo de mejora.
Nuestra empresa ofrece capacidades de suministro epitaxial que van desde pequeños lotes a escala de investigación y desarrollo hasta lotes de ingeniería a escala de producción, con ajustes flexibles de parámetros basados en la banda de frecuencia objetivo y el nivel de potencia de los dispositivos del cliente. Para soluciones epitaxiales personalizadas, por favor contacte con nuestro equipo técnico de ventas.
Referencias:
1. Hasenöhrl, S., Blaho, M., Dobročka, E., Gucmann, F., Kučera, M., Nádaždy, P., ... y Kuzmík, J. (2023). Crecimiento de InAlN rico en N-polar por deposición química química de metal en vapor sobre zafiros dentro y fuera del eje. Ciencia de Materiales en Procesamiento de Semiconductores, 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). Heteroestructuras de barrera ultrafina InAlN/GaN para HEMTs. Semiconductores, 52(14), 1843-1845.
Comenta con nuestro equipo un requisito de sustrato
Power Wafertech suministra obleas semiconductoras de alta calidad y soluciones epitaxiales adaptadas a las especificaciones de tu dispositivo. Contacta para explorar opciones de sustratos y epiobleas para tu próximo proyecto.
Contacta con nuestro equipo