| Περίληψη |
Οι ημιαγωγικές ετεροδομές με βάση το GaN, αποτελούν τη σημαντικότερη περιοχή έρευνας τα τελευταία χρόνια, στην κατασκευή ηλεκτρονικών διατάξεων υψηλών συχνοτήτων. Οι βασικότεροι εκπρόσωποι της κατηγορίας είναι τα τρανζίστορ τύπου ΗΕΜΤ από ετεροδομές AlGaN/GaN και InAlN/GaN, που χαρακτηρίζονται από προηγμένες δυνατότητες σε σχέση με τα συμβατικά πλέον MODFET των III-V ημιαγωγών (πχ. AlGaAs/GaAs HEMT).
Στην παρούσα διατριβή έγινε μια συστηματική μελέτη για την απόδοση διατάξεων ΗΕΜΤ, κατασκευασμένων από την νέα ημιαγωγική ετεροδομή AlN/GaN, η οποία αναπτύσσεται με MBE πηγής RF πλάσματος αζώτου και αποτελεί ακραία περίπτωση των δύο προαναφερθέντων ετεροδομών. Τα πειράματα μας περιλαμβάνουν τρία στάδια:
Στο πρώτο στάδιο, καθορίστηκε το βέλτιστο πάχος ανάπτυξης του φράγματος ΑΙΝ της ετεροδομής AlN/GaN HEMT, όπου με την απουσία πλεγματικής χαλάρωσης επετεύχθη η μέγιστη δυνατή συγκέντρωση και ευκινησία των ηλεκτρονίων του δισδιάστατου ηλεκτρονιακού αερίου (2DEG). Για το σκοπό αυτό αναπτύχτηκαν ετεροδομές AlN/GaN, με διαφορετικά πάχη στρώματος ΑΙΝ, στις οποίες κατασκευάστηκαν διατάξεις ΗΕΜΤ, με τη μέθοδο της φωτολιθογραφίας. Μετά από εκτενή χαρακτηρισμό του υλικού και των διατάξεων AlN/GaN HEMT επιλέχτηκε πάχος ΑΙΝ ίσο με 4.5 nm για τη συνέχεια της μελέτης.
Στο δεύτερο στάδιο, διερευνήθηκε πειραματικά ο ρόλος ενός στρώματος επικάλυψης με νανομετρικό πάχος της επιφάνειας του ΑΙΝ και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με θεωρητικούς υπολογισμούς για το ενεργειακό διάγραμμα της διάταξης, τον σχηματισμό και την πυκνότητα (Ns) του 2DEG. Η πυκνότητα του 2DEG έχει ιδιαίτερη εξάρτηση από το δυναμικό της επιφάνειας (EC-EF)S. Οι διατάξεις από δομές με στρώμα επικάλυψης 1nm GaN παρουσίασαν επιδόσεις ρεκόρ συγκριτικά με την υπάρχουσα βιβλιογραφία, με πυκνότητα ρεύματος 2A/mm και διαγωγιμότητα 425 mS/mm.
Αφού προσδιορίστηκε ο ιδανικός σχεδιασμός της ετεροδομής HEMT ΑΜ/GaN (βέλτιστο πάχος και επικάλυψη της επιφάνειας ΑΙΝ), μελετήθηκε αναλυτικά η απόδοση τους με μετρήσεις συνεχούς και παλμικού ρεύματος. Από τις μετρήσεις DC, εξήχθησαν όλες οι παράμετροι που χαρακτηρίζουν ένα ΗΕΜΤ: μέγιστο ρεύμα, διαγωγιμότητα, τάση κατωφλιού, ρεύμα διαρροής από το υπόστρωμα και από την πύλη, τάση κατάρρευσης, αντίσταση φύλλου και ωμικών επαφών και σειριακές αντιστάσεις. Στην εργασία παρουσιάζεται ανάλυση των τεχνικών των μετρήσεων και η εξήγηση των αποτελεσμάτων. Οι παλμικές μετρήσεις αφορούν την μελέτη θερμικών φαινομένων (επιρροή της θερμικής αγωγιμότητας των υποστρωμάτων στην αύξηση της θερμοκρασίας του καναλιού) και της παγίδευσης ηλεκτρονίων από επιφανειακές καταστάσεις που προκαλεί αστάθεια ρεύματος. Τέτοιου είδους μετρήσεις δεν έχουν αναφερθεί έως σήμερα στις δομές AlN/GaN ΗΕΜΤ.
Συμπερασματικά, η μελέτη αυτή οδήγησε στην επίτευξη προηγμένων διατάξεων GaN ΗΕΜΤ με στρώμα φραγμού AlN αντί των AlxGa1-xN/GaN ή InxAl1-xN/GaN. Η κατανόηση των παραγόντων που περιορίζουν τις δυνατότητες απόδοσης αυτών των διατάξεων, θα επιτρέψει τη βελτιστοποίηση της κατασκευής τους και τη μετέπειτα χρήση τους σε ηλεκτρονικά ισχύος με λειτουργία σε υψηλές συχνότητες και ειδικά σε εφαρμογές όπου απαιτούνται εξαιρετικά υψηλές τιμές ρεύματος. Οι ετεροδομές AlN/GaN HEMT επιτρέπουν το σχηματισμό του 2DEG σε αποστάσεις 1nm από την επιφάνεια, συνθήκη που επιτρέπει τη μέγιστη σμίκρυνση του μήκους πύλης για υψίσυχνα (THz) νανοηλεκτρονικά τρανζίστορ.
|
Διατάξεις υψηλής ισχύος AlN/GaN ΗΕΜΤ
