Published April 14, 2023 | Version v1
Journal article

Effects of GaN channel downscaling in AlGaN–GaN high electron mobility transistor structures grown on AlN bulk substrate

Others:
Centre de recherche sur l'hétéroepitaxie et ses applications (CRHEA) ; Université Nice Sophia Antipolis (1965 - 2019) (UNS) ; COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-COMUE Université Côte d'Azur (2015-2019) (COMUE UCA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Côte d'Azur (UCA)
Université Côte d'Azur (UCA)
Centrale de Micro Nano Fabrication - IEMN (CMNF - IEMN) ; Institut d'Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN) ; Centrale Lille-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-JUNIA (JUNIA) ; Université catholique de Lille (UCL)-Université catholique de Lille (UCL)-Centrale Lille-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-JUNIA (JUNIA) ; Université catholique de Lille (UCL)-Université catholique de Lille (UCL)
Institut d'Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN) ; Centrale Lille-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-JUNIA (JUNIA) ; Université catholique de Lille (UCL)-Université catholique de Lille (UCL)
WIde baNd gap materials and Devices - IEMN (WIND - IEMN) ; Institut d'Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN) ; Centrale Lille-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-JUNIA (JUNIA) ; Université catholique de Lille (UCL)-Université catholique de Lille (UCL)-Centrale Lille-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-JUNIA (JUNIA) ; Université catholique de Lille (UCL)-Université catholique de Lille (UCL)
Nanophysique et Semiconducteurs (NEEL - NPSC) ; Institut Néel (NEEL) ; Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ) ; Université Grenoble Alpes (UGA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ) ; Université Grenoble Alpes (UGA)
Fondation Grenoble INP
Universität Ulm - Ulm University [Ulm, Allemagne]
IMEC (IMEC) ; Catholic University of Leuven - Katholieke Universiteit Leuven (KU Leuven)
Circuits Systèmes Applications des Micro-ondes - IEMN (CSAM - IEMN ) ; Institut d'Électronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie - UMR 8520 (IEMN) ; Centrale Lille-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-JUNIA (JUNIA) ; Université catholique de Lille (UCL)-Université catholique de Lille (UCL)-Centrale Lille-Université de Lille-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Polytechnique Hauts-de-France (UPHF)-JUNIA (JUNIA) ; Université catholique de Lille (UCL)-Université catholique de Lille (UCL)
ACKNOWLEDGMENTSThis work was supported by the French RENATECH Network, the project BREAKUP (French National Research Agency Grant No. ANR-17-CE05–0013), and the project HBV of the "Investissements d'Avenir" Program GaNeX (Grant No. ANR-11-LABX-0014).
RENATECH
ANR-11-LABX-0014,GANEX,Réseau national sur GaN(2011)
ANR-17-CE05-0013,BREAkuP,Matériaux à ultra large bande interdite pour les futurs applications d'électronique de puissance(2017)

Description

In this work, two series of AlGaN/GaN/AlN high electron mobility transistor (HEMT) heterostructures have been grown by molecular beam epitaxy on AlN bulk substrates. The effects of reduction in the GaN channel thickness as well as the AlGaN barrier thickness and composition on structural and electrical properties of the heterostructures have been studied. The material analysis involved high-resolution x-ray diffraction, atomic force microscopy, and cross-sectional transmission electron microscopy. In a first series of HEMT structures grown with an aluminum content of 30% in the AlGaN barrier, the channel downscaling results in a reduction in the GaN strain relaxation rate but at the expense of degradation in the mean crystal quality and in the electron mobility with a noticeable increase in the sheet resistance. An opposite trend is noticed for the three-terminal breakdown voltage of transistors, so that a trade-off is obtained for a 50 nm width GaN channel HEMT, which exhibits a sheet resistance of 1700 Ω/sq. with transistors demonstrating three-terminal breakdown voltage up to 1400 V for 40 μm gate to drain spacing with static on resistance R on = 32 mΩ cm 2 . On the other hand, a second series of HEMT structures with high aluminum content AlGaN barriers and sub-10 nm GaN channels have been grown perfectly strained with high sheet carrier densities allowing to preserve sheet resistances in the range of 880–1050 Ω/sq.

Abstract

International audience

Additional details

Created:
May 4, 2023
Modified:
November 29, 2023