In den Millimeterwellenbändern (W-Band: 75–110 GHz; E-Band: 60–90 GHz), hängen die Frequenzwerte (ft und fmₐₓ) von GaN-basierten HEMTs kritisch vom Seitenverhältnis zwischen Gatterlänge (Lg) und Gate-zu-Kanal-Entfernung (dge) ab. Da Lg auf Submikron- und sogar hundert-Nanometer-Dimensionen skaliert wird, erfordert die Unterdrückung von Kurzkanaleffekten eine gleichzeitige Reduktion des dge, was eine ultradünne Barrierestruktur erfordert.

Konventionelle AlGaN/GaN-Heterojunctions haben in diesem Szenario intrinsische physikalische Einschränkungen: Wenn die Barrierendicke unter 10 nm fällt, zerfällt die metall-piezoelektrisch-polarisationsinduzierte zweidimensionale Elektronengas-(2DEG)-Plattendichte exponentiell, was zu einer starken Verschlechterung der Kanalleitfähigkeit führt. Im Gegensatz dazu sind InAlN-ternäre Legierungen mit einer In-Zusammensetzung von etwa 17–18 % gitterangepasst an GaN, und ihre spontanen und piezoelektrischen Polarisationen sind deutlich stärker als die von AlGaN mit gleicher Dicke. Diese einzigartige Eigenschaft ermöglicht es InAlN/GaN HEMT-Heterojunctions, trotz einer ultradünnen Barriere von 5–6 nm eine hohe Dichte von 2 DEG (>10¹³cm⁻²) zu halten und bietet so eine ideale Materialplattform, um den Skalierungsengpass für Millimeterwellenbauelemente zu überwinden.

Die Power Wafertech Group hat InAlN/GaN Heterojunction-Epitaxialwafer auf Silizium(Si), Saphir- und Siliziumkarbid(SiC)-Substraten unter Verwendung der Metall-Organischen chemischen Gasfabscheidungstechnologie (MOCVD) entwickelt. Wir unterstützen maßgeschneiderte Designs von gitterabgestimmten Zusammensetzungen bis hin zu hochgehaltshaltigen Formulierungen, die auf verschiedene Frequenz- und Leistungsanwendungsszenarien zugeschnitten sind. Nehmen wir die saphirbasierte InAlN/GaN HEMT-Epitaxialstruktur als konkretes Beispiel:

1. Saphirbasierte InAlN/GaN HEMT Epitaxial-Spezifikationen

Im Vergleich zu einer AlGaN-Barriere derselben Dicke zeigt der InAlN/GaN-Wafer eine überlegene Kanalladungsdichte-Verstärkung bei derselben Gate-Control-Distanz, was sich direkt in eine verbesserte Transkonduktanz und das Cutoff-Frequenzpotential übersetzt.

2. Unterdrückung der Phasentrennung und Dehnungstechnik bei der InAlN-Epitaxie

Das MOCVD-Wachstum von InAlN stößt auf thermodynamische Mischungslücken-Grenzen, mit einer intrinsischen Phasentrennungstendenz in In-rich-Regionen (xIn> 0,5). Um Niederschlag in der Sekundärphase zu vermeiden und die strukturelle Integrität der Barriereschicht zu gewährleisten, haben wir folgende Kernmaßnahmen in unser Prozessschema integriert:

(1) Gekoppelte Steuerung von Wachstumstemperatur und Quellströmungen: Durch präzise Einstellung des Wachstumstemperaturfensters (~706°C) und des TMIn/TMAl-molaren Durchflussverhältnisses wird die In-Komposition innerhalb des gitterangepassten Bereichs gesperrt, wodurch thermodynamisch der instabile Mischbarkeits-Gap-Bereich vermieden wird. In XRD (0002)-Rockkurven werden keine Sekundärphasenbeugungsspitzen beobachtet, was eine Einphasen-Epitaksie bestätigt.

(2) Substratorientierungstechnik: Wir haben die Auswirkungen sowohl von Saphirsubstraten auf der Achse als auch von 4° außerhalb der Achse überprüft. On-axis Substrate sind vorteilhaft, um die Gesamtdichte der Fadenversetzungen zu reduzieren, während Off-Axis-Substrate die Bildung von Hügeln auf N-polaren Flächen unterdrücken können.

(3) In-situ Si₃N₄-Passivierungsschicht-Integration: Eine optionale in-situ Si₃N₄-Dielektrikumschicht mit einer Dicke von etwa 5 nm kann integriert werden. Diese dünne Schicht kann entweder als MIS-Gate-Dielektrikum oder als Oberflächenpassivierungsschicht dienen, wodurch Oberflächenzustände effektiv gepinnt und HF-Verluste reduziert werden. Aufgrund ihrer sehr dünnen Dicke kann diese Dielektrikumschicht durch selektives Trockenätzen entfernt oder direkt für ohmsche Kontaktbildung eingedrungen werden, wodurch sie mit verschiedenen Kundenfertigungsprozessen kompatibel ist.

3. Leistungsverifikation von InAlN/GaN HEMTs auf Geräteebene

Sakharova et al. (2018) fertigten HEMT-Bauelemente (Lg = 0,5 μm, Wg = 200 μm, Quell-Drain-Abstand = 4 μm) auf Basis von InAlN/AlN/GaN Saphir-Epiwafern. Die gepulsten I-V (Pulsbreite 250 ns) und DC-Testergebnisse sind wie folgt:

Maximaler gesättigter Abflussstrom (Id,max): ≥1,27A/mm

Spitzentranskonduktanz (gm,max): ≥450 mS/mm

Schwellenspannungsgleichmäßigkeit: Standardabweichung von Vth innerhalb des Wafers

Kleinsignal-RF-Tests (Vds = 15–20V, Id = 0,1A/mm) zeigen, dass im Vergleich zu AlGaN-Referenzproben derselben Struktur das fmax der InAlN/GaN-Proben mit der Einführung der In-Komposition signifikant ansteigt. Dieser Leistungsvorteil wird auf das verbesserte Gate-Seitenverhältnis und die stärkere Kanaleinschließung unter der ultradünnen Barriere zurückgeführt. Zusätzlich bietet die MIS-HEMT-Version mit In-situ Si₃N₄-Gate-Dielektrikum eine zusätzliche positive Verschiebung von 3–4 V in der Schwellenspannung, was Flexibilität für das Design von Enhancement-Mode-Geräten bietet.

Unser Unternehmen bietet epitaktische Versorgungsmöglichkeiten an, die von F&E-Skala-Kleinchargen bis hin zu Produktionsfertigungschargen reichen, mit flexiblen Parameteranpassungen basierend auf dem Zielfrequenzband und dem Leistungsniveau der Geräte des Kunden. Für maßgeschneiderte epitaktische Lösungen wenden Sie sich bitte an unser technisches Vertriebsteam.

Quellen:

1. Hasenöhrl, S., Blaho, M., Dobročka, E., Gucmann, F., Kučera, M., Nádaždy, P., ... & Kuzmík, J. (2023). Wachstum von N-polarem in-reichem InAlN durch metallische organische chemische Gasfabscheidung auf Saphiren auf der Achse und außerhalb der Achse. Materialwissenschaft in der Halbleiterverarbeitung, 156, 107290.

2. Sacharow, A. V., Lundin, W. V., Zavarin, E. E., Zakheim, D. A., Usov, S. O., Tsatsulnikov, A. F., ... & Velikovskiy, L. E. (2018). Ultradünne Barriere InAlN/GaN-Heterostrukturen bei HEMTs. Halbleiter, 52(14), 1843–1845.