Nas bandas de ondas milimétricas (banda W: 75–110GHz; Banda E: 60–90GHz), os valores de frequência (ft e fmₐₓ) dos HEMTs baseados em GaN dependem criticamente da razão de aspecto entre o comprimento do portal (Lg) e a distância entre o gate a canal (dge). À medida que a Lg é reduzida para dimensões submicrônicas e até de cem nanômetros, a supressão dos efeitos de canal curto requer uma redução simultânea da dge, o que exige uma estrutura de barreira ultrafina.

Heterojunções convencionais AlGaN/GaN enfrentam limitações físicas intrínsecas nesse cenário: quando a espessura da barreira cai abaixo de 10nm, a densidade de folhas de gás eletrônico bidimensional (2DEG) induzida por polarização metal-piezoelétrica decai exponencialmente, levando a uma degradação severa da condutância do canal. Em contraste, ligas ternárias InAlN com composição de aproximadamente 17%–18% são adaptadas em rede ao GaN, e suas polarizações espontâneas e piezoelétricas são significativamente mais fortes do que as do AlGaN com a mesma espessura. Essa propriedade única permite que as heterojunções InAlN/GaN HEMT mantenham uma alta densidade de 2DEG (>10¹³cm⁻²) mesmo com uma barreira ultrafina de 5–6nm, fornecendo uma plataforma material ideal para superar o gargalo de escala para dispositivos de ondas milimétricas.

O Power Wafertech Group desenvolveu wafers epitaxiais de heterojunção InAlN/GaN em substratos de silício (Si), safira e carboneto de silício (SiC) utilizando tecnologia de deposição química em vapor metal-orgânico (MOCVD). Apoiamos projetos personalizados, desde composições em rede até formulações de alto teor, adaptadas para diferentes cenários de aplicação em frequência e potência. Tomando a estrutura epitaxial InAlN/GaN baseada em safira como exemplo específico:

1. Especificações Epitaxiais InAlN/GaN HEMT baseadas em Safira

Comparado a uma barreira de AlGaN com a mesma espessura, o wafer InAlN/GaN apresenta aumento superior da densidade de carga do canal sob a mesma distância de controle de porta, o que se traduz diretamente em melhor transcondutância e potencial de frequência de corte.

2. Supressão de Separação de Fases e Engenharia de Deformação na Epitaxia InAlN

O crescimento de InAlN no MOCVD enfrenta limitações termodinâmicas de miscibilidade e lacuna, com tendência intrínseca de separação de fase em regiões ricas em In-N (xIn> 0,5). Para evitar precipitação em fase secundária e garantir a integridade estrutural da camada barreira, integramos as seguintes medidas centrais em nosso esquema de processo:

(1) Controle acoplado da temperatura de crescimento e dos fluxos fonte: Ao definir precisamente a janela de temperatura de crescimento (~706°C) e a razão de fluxo molar TMIn/TMAl, a composição de In fica travada dentro da faixa de rede correspondente, evitando termodinamicamente a região instável da lacuna de miscibilidade. Não são observados picos de difração em fase secundária nas curvas de balanço XRD (0002), confirmando epitaxia monofásica.

(2) Engenharia de orientação de substratos: Verificamos os efeitos tanto de substratos de safira no eixo quanto fora do eixo a 4°. Substratos no eixo são favoráveis para reduzir a densidade geral de discordâncias de rosca, enquanto substratos fora do eixo podem suprimir a formação de colinas em superfícies N-polares.

(3) Integração da camada de passivação Si₃N₄ in situ: Uma camada dielétrica opcional in situ Si₃N₄ com espessura de cerca de 5nm pode ser integrada. Essa camada fina pode servir tanto como dielétrico de porta MIS quanto como camada de passivação superficial, efetivamente fixando estados superficiais e reduzindo as perdas de RF. Devido à sua espessura muito fina, essa camada dielétrica pode ser removida por gravação seca seletiva ou penetrada diretamente para formação de contatos óhmicos, tornando-a compatível com várias rotas de processo de fabricação por clientes.

3. Verificação de desempenho em nível de dispositivo dos HEMTs InAlN/GaN

Sakharova et al. (2018) fabricaram dispositivos HEMT (Lg = 0,5μm, Wg = 200μm, espaçamento fonte-dreno = 4μm) baseados em episondas InAlN/AlN/GaN. Os resultados dos testes pulsados I-V (largura de pulso 250ns) e DC são os seguintes:

Corrente máxima saturada de dreno (Id,max): ≥1,27A/mm

Transcondutância máxima (gm,máx): ≥450mS/mm

Uniformidade de tensão no limiar: desvio padrão dentro da pastilha de Vth

Testes de RF de pequeno sinal (Vds = 15–20V, Id = 0,1A/mm) mostram que, comparado a amostras de referência de AlGaN da mesma estrutura, o fmax de amostras InAlN/GaN aumenta significativamente com a introdução da composição In. Essa vantagem de desempenho é atribuída à melhor relação de aspecto do gate e ao confinamento de canal mais forte sob a barreira ultrafina. Além disso, a versão MIS-HEMT com dielétrico de porta Si₃N₄ in situ fornece um deslocamento positivo adicional de 3–4V na tensão de limiar, oferecendo flexibilidade para o design de dispositivos em modo de aprimoramento.

Nossa empresa oferece capacidades de fornecimento epitaxial que vão desde pequenos lotes em escala de P&D até lotes de engenharia em escala de produção, com ajustes flexíveis de parâmetros baseados na faixa de frequência alvo e no nível de potência dos dispositivos do cliente. Para soluções epitaxiais personalizadas, por favor, entre em contato com nossa equipe técnica de vendas.

Referências:

1. Hasenöhrl, S., Blaho, M., Dobročka, E., Gucmann, F., Kučera, M., Nádaždy, P., ... & Kuzmík, J. (2023). Crescimento de InAlN rico em N-polar por deposição química química de metal orgânico em safira dentro e fora do eixo. Ciência dos Materiais em Processamento de Semicondutores, 156, 107290.

2. Sakharov, A. V., Lundin, W. V., Zavarin, E. E., Zakheim, D. A., Usov, S. O., Tsatsulnikov, A. F., ... & Velikovskiy, L. E. (2018). Heteroestruturas de barreira ultrafina InAlN/GaN para HEMTs. Semicondutores, 52(14), 1843-1845.