GaN på 200 mm Si wafertjocklek kartläggningsbild. Kredit:University of Illinois
Ett team av forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign har avancerad galliumnitrid (GaN)-på-kiseltransistorteknologi genom att optimera sammansättningen av halvledarskikten som utgör enheten. Arbetar med industripartners Veeco och IBM, teamet skapade strukturen med hög elektronmobilitetstransistor (HEMT) på ett 200 mm kiselsubstrat med en process som kommer att skalas till större industristandardwaferstorlekar.
Kan Bayram, en biträdande professor i elektro- och datateknik (ECE), och hans team har skapat GaN HEMT -strukturen på en kiselplattform eftersom den är kompatibel med befintliga CMOS -tillverkningsprocesser och är billigare än andra substratalternativ som safir och kiselkarbid.
Dock, kisel har sina utmaningar. Nämligen, gitterkonstanten, eller mellanrum mellan kiselatomer, matchar inte med atomstrukturen i GaN som odlas ovanpå den.
"När du odlar GaN på toppen, det är mycket påfrestning mellan lagren, så vi odlade buffertlager [mellan kisel och GaN] för att hjälpa till att ändra gitterkonstanten till rätt storlek, " förklarade ECE-forskaren Josh Perozek, huvudförfattare till gruppens uppsats, "Utredning av strukturella, optisk, och elektriska egenskaper hos en AlGaN/GaN transistorstruktur med hög elektronmobilitet över ett 200 mm Si(1 1 1) substrat, "i Journal of Physics D:Tillämpad fysik .
Utan dessa buffertlager, sprickor eller andra defekter kommer att bildas i GaN-materialet, vilket skulle hindra transistorn från att fungera korrekt. Specifikt, dessa defekter - gängförskjutningar eller hål där atomer ska finnas - förstör egenskaperna hos den 2-dimensionella elektrongaskanalen i enheten. Denna kanal är avgörande för HEMT:s förmåga att leda ström och fungera vid höga frekvenser.
a) Tvärsnittsstruktur. b) TEM -bild av topp 80 nm i HEMT -strukturen. Det mörkgråa lagret markerar ytans början. c) STEM-bild av topp 80 nm. Ytan börjar under det svarta lagret och det mörka bandet i bilden är AlN-distansen. d) EDS kemisk analys av topp 25 nm. Data före 4 nm är bakgrundsvärdena ovanför ytan. Kredit:University of Illinois
"Det enskilt viktigaste för dessa GaN [HEMT]-enheter är att ha hög 2D-elektrongaskoncentration, sa Bayram, om ackumulering av elektroner i en kanal vid gränsytan mellan kislet och de olika GaN-baserade skikten ovanför den.
"Problemet är att du måste kontrollera töjningsbalansen mellan alla dessa lager - från substrat hela vägen upp till kanalen - för att maximera tätheten hos de ledande elektronerna för att få den snabbaste transistorn med högsta möjliga effekt densitet."
Efter att ha studerat tre olika buffertskiktskonfigurationer, Bayrams team upptäckte att tjockare buffertlager gjorda av graderad AlGaN minskar gängförskjutning, och stapling av dessa lager minskar stressen. Med denna typ av konfiguration, laget uppnådde en elektronmobilitet på 1, 800 cm2/V-sek.
"Ju mindre påfrestning det finns på GaN-lagret, ju högre rörligheten blir, vilket i slutändan motsvarar högre transistordriftsfrekvenser, "sa Hsuan-Ping Lee, en ECE-studentforskare som leder skalningen av dessa enheter för 5G-applikationer.
Enligt Bayram, nästa steg för hans team är att tillverka fullt fungerande högfrekventa GaN HEMTs på en kiselplattform för användning i 5G trådlösa datanätverk.
När den är helt utplacerad, 5G-nätverket kommer att möjliggöra snabbare datahastigheter för världens 8 miljarder mobiltelefoner, och kommer att ge bättre anslutning och prestanda för Internet of Things (IoT)-enheter och förarlösa bilar.
