Lithuanian Journal of Physics article / Lietuvos fizikos žurnalo straipsnis

SCHOTTKY DIODES AND HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTORS OF 2DEG AlGaN/GaN STRUCTURES ON SAPPHIRE SUBSTRATE
Vytautas Jakštas^a, Irmantas Kašalynas^a, Irena Šimkienė^a, Viktorija Strazdienė^a, Pawel Prystawko^b, and Michał Leszczynski^b
^aCenter for Physical Science and Technology, A. Goštauto 11, LT-01108 Vilnius, Lithuania
^bInstitute of High Pressure Physics UNIPRESS, ul. Sokołowska 29/37, 01-142 Warsaw, Poland
E-mail: irmantak@ktl.mii.lt

Received 21 May 2014; revised 13 October 2014; accepted 10 December 2014

We report Schottky diodes (SDs) and High Electron Mobility Transistors (HEMTs) fabricated of 2DEG AlGaN/GaN structures grown by Metalorganic Chemical Vapour Phase Epitaxy (MOVPE) on sapphire substrate. The SDs and HEMTs were designed intentionally without surface passivation and were successfully fabricated at the Center for Physical Sciences and Technology (CPST), using standard UV photolithography procedures. The performance of Ohmic contacts formed of quaternary Ti/Al/Ni/Au stack was optimized varying the temperature of rapid thermal annealing process. Deposited on the semiconductor metal Ni/Au stack was used to form 0.75 eV height Schottky barriers. Fabricated the SDs demonstrated low reverse current and high electric current switching ratio while the HEMTs – high transconductance and drain saturation currents performance with good transistor channel closing. This work paves a way to develop advanced AlGaN/GaN based HEMT structures as well as new electronic components for operation at high powers and high frequencies.

Keywords: AlGaN, GaN, Schottky diode, high electron mobility transistor, HEMT
PACS: 72.80.Ey, 71.55.Eq, 72.20.-i, 73.30.+y

2DEG AlGaN/GaN HETEROSTRUKTŪRŲ ANT SAFYRO PADĖKLO ŠOTKIO DIODAI IR DIDELIO ELEKTRONŲ JUDRIO TRANZISTORIAI

Vytautas Jakštas^a, Irmantas Kašalynas^a, Irena Šimkienė^a, Viktorija Strazdienė^a, Pawel Prystawko^b, Michał Leszczynski^b
^aFizinių ir technologijos mokslų centras, Vilnius, Lietuva
^bAukštų slėgių fizikos institutas UNIPRESS, Varšuva, Lenkija

Darbe pristatome Šotkio diodus ir didelio elektronų judrio tranzistorius (angl. HEMT), padarytus iš AlGaN/GaN struktūrų su dvimatėmis elektronų dujomis (angl. 2DEG), suformuotomis metalorganinio nusodinimo iš garų fazės būdu ant safyro padėklo. Elektronikos komponentai, sukurti be papildomo paviršiaus pasyvavimo, buvo pagaminti Fizinių ir technologijos mokslų centre naudojant standartinę UV fotolitografiją. Ominių kontaktų, kurie suformuoti iš keturių metalų (Ti, Al, Ni ir Au) lydinio, varža buvo optimizuota parinkus greito atkaitinimo temperatūrą. Užgarinus dviejų metalų (Ni ir Au) sluoksnį buvo suformuoti apie 0,75 eV potencialo Šotkio barjerai. Pagaminti Šotkio diodai pasižymėjo mažomis nuotėkio srovėmis, o tranzistoriai – dideliu perdavimo charakteristikos statumu ir didelėmis santakos soties srovėmis. Įvairių Šotkio diodų, besiskiriančių nuo 5 iki 40 μm atstumu tarp kontaktų, srovės tiesiogine kryptimi kito intervale 180–360 A/cm², kai įtampa +2 V, o nuotėkio srovės buvo visiems diodams vienodos ir neviršijo 0,1 A/cm² vertės, kuri nekito įtampų ruože nuo –3 V iki –210 V. Diodų voltfaradinės charakteristikos leido įvertinti 2DEG pasiskirstymo profilį heterostruktūroje bei nustatyti elektronų tankį, kuris apytiksliai buvo lygus 5·10¹² cm^-2.
Pagaminti 2,5 μm ilgio planariniai HEMT tranzistoriai pasižymėjo santakos soties srovėmis iki 320 A/mm, kai užtūros įtampa +2 V, ir perdavimo charakteristikos statumu iki g_m = 100 mS/mm, kai ištakos įtampa +6 V, abu parametrai sunormuoti į kanalo plotį 2×100 μm.
Šie Šotkio diodų ir lauko tranzistorių rezultatai turėtų paskatinti sudėtingesnių AlGaN/GaN heterodarinių tyrimus bei didelės galios ir aukšto dažnio elektronikos komponentų kūrimą ir vystymą Lietuvoje.

References / Nuorodos

[1] J. Zolper, Advanced device technologies for defense systems, Device Research Conference (DRC), 2012 70th Annual, 9–12 (2012),
http://dx.doi.org/10.1109/DRC.2012.6256988
[2] R.S. Pengelly, S.M. Wood, J.W. Milligan, S.T. Sheppard, and W.L. Pribble, A review of GaN on SiC high electron-mobility power transistors and MMICs, IEEE Trans. Microw. Theor. Tech. 60, 1764–1783 (2012),
http://dx.doi.org/10.1109/TMTT.2012.2187535
[3] R. Dwiliński, R. Doradziński, J. Garczyński, L. Sierzputowski, R. Kucharski, M. Zając, M. Rudziński, R. Kudrawiec, W. Strupiński, and J. Misiewicz, Ammonothermal GaN substrates – growth accomplishments and applications, Phys. Status Solidi A 208, 1489 (2011),
http://dx.doi.org/10.1002/pssa.201001196
[4] P. Kruszewski, P. Prystawko, I. Kasalynas, A. Nowakowska-Siwinska, M. Krysko, J. Plesiewicz, J. Smalc-Koziorowska, R. Dwilinski, M. Zajac, R. Kucharski, and M. Leszczynski, AlGaN/GaN HEMT structures on ammono bulk GaN substrate, Semicond. Sci. Tech. 29, 075004 (2014),
http://dx.doi.org/10.1088/0268-1242/29/7/075004
[5] M. Dyakonov and M. Shur, Shallow water analogy for a ballistic field effect transistor: New mechanism of plasma wave generation by dc current, Phys. Rev. Lett. 71, 2465–2468 (1993).
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.71.2465
[6] T. Onishi, T. Tanigawa, and S. Takigawa, High power terahertz emission from a single gate AlGaN/GaN field effect transistor with periodic Ohmic contacts for plasmon coupling, Appl. Phys. Lett. 97, 092117 (2010),
http://dx.doi.org/10.1063/1.3486473
[7] A. El Fatimy, N. Dyakonova, Y. Meziani, T. Otsuji, W. Knap, S. Vandenbrouk, K. Madjour, D. Théron, C. Gaquiere, M.A. Poisson,, S. Delage,, P. Prystawko, and C. Skierbiszewski, AlGaN/GaN high electron mobility transistors as a voltage-tunable room temperature terahertz sources, J. Appl. Phys. 107, 024504 (2010),
http://dx.doi.org/10.1063/1.3291101
[8] W. Knap, S. Nadar, H. Videlier, S. Boubanga-Tombet, D. Coquillat, N. Dyakonova, F. Teppe, K. Karpierz, J. Łusakowski, M. Sakowicz, I. Kasalynas, D. Seliuta, G. Valusis, T. Otsuji, Y. Meziani, A. El Fatimy, S. Vandenbrouk, K. Madjour, D. Théron, and C. Gaquière, Field effect transistors for terahertz detection and emission, J. Infrared Milli. Terahz. Waves 32, 618–628 (2011),
http://dx.doi.org/10.1007/s10762-010-9647-7
[9] R. Vetury, N.Q. Zhang, S. Keller, and U.K. Mishra, The impact of surface states on the DC and RF characteristics of AlGaN/GaN HFETs, IEEE Trans. Electron Dev. 48(3), 560–566 (2001),
http://dx.doi.org/10.1109/16.906451
[10] H. Wang, J.W. Chung, X. Gao, S. Guo, and T. Palacios, Al₂O₃ passivated InAlN/GaN HEMTs on SiC substrate with record current density and transconductance, Phys. Status Solidi C 7, 2440–2444 (2010),
http://dx.doi.org/10.1002/pssc.200983899
[11] S. Arulkumaran, T. Egawa, H. Ishikawa, and T. Jimbo, Surface passivation effects on AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors with SiO₂, Si₃N₄, and silicon oxynitride, Appl. Phys. Lett. 84, 613 (2004),
http://dx.doi.org/10.1063/1.1642276
[12] D.K. Schroder, Semiconductor Material and Device Characterization (John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2006),
http://dx.doi.org/10.1002/0471749095
[13] Q.Z. Liu and S.S. Lau, A review of the metal–GaN contact technology, Solid State Electron. 42(5), 677–691 (1998),
http://dx.doi.org/10.1016/S0038-1101(98)00099-9
[14] A.M. Dabiran, A.M. Wowchak, A. Osinsky, J. Xie, B. Hertog, B. Cui, D.C. Look, and P.P. Chow, Very high channel conductivity in low-defect AlN/GaN high electron mobility transistor structures, Appl. Phys. Lett. 93, 082111 (2008),
http://dx.doi.org/10.1063/1.2970991
[15] D.J. Denninghoff, S. Dasgupta, J. Lu, S. Keller, and U.K. Mishra, Design of high-aspect-ratio T-gates on N-polar GaN/AlGaN MIS-HEMTs for high f_max, IEEE Electron Device Lett. 33(6), 785 (2012),
http://dx.doi.org/10.1109/LED.2012.2191134