GaN en imagen de mapeo de espesor de oblea de 200 mm Si. Crédito:Universidad de Illinois
Un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha avanzado la tecnología de transistores de nitruro de galio (GaN) sobre silicio optimizando la composición de las capas semiconductoras que componen el dispositivo. Trabajando con socios de la industria Veeco e IBM, El equipo creó la estructura del transistor de alta movilidad de electrones (HEMT) en un sustrato de silicio de 200 mm con un proceso que se escalará a tamaños de obleas estándar de la industria más grandes.
Can Bayram, un profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática (ECE), y su equipo han creado la estructura GaN HEMT en una plataforma de silicio porque es compatible con los procesos de fabricación CMOS existentes y es menos costosa que otras opciones de sustrato como el zafiro y el carburo de silicio.
Sin embargo, el silicio tiene sus desafíos. A saber, la constante de celosía, o espacio entre átomos de silicio, no coincide con la estructura atómica del GaN que crece sobre él.
"Cuando creces el GaN en la parte superior, hay mucha tensión entre las capas, así que crecimos capas de amortiguación [entre el silicio y GaN] para ayudar a cambiar la constante de celosía al tamaño adecuado, "explicó el investigador universitario de ECE Josh Perozek, autor principal del artículo del grupo, "Investigación de estructuras, óptico, y características eléctricas de una estructura de transistor de alta movilidad de electrones AlGaN / GaN a través de un sustrato de 200 mm Si (1 1 1), " en el Journal of Physics D:Física aplicada .
Sin estas capas de amortiguación, se formarán grietas u otros defectos en el material de GaN, lo que evitaría que el transistor funcione correctamente. Específicamente, estos defectos (dislocaciones de rosca o agujeros donde deberían estar los átomos) arruinan las propiedades del canal de gas de electrones bidimensional en el dispositivo. Este canal es fundamental para la capacidad de los HEMT de conducir corriente y funcionar a altas frecuencias.
a) Estructura transversal. b) Imagen TEM de los 80 nm superiores de la estructura HEMT. La capa de color gris oscuro marca el inicio de la superficie. c) Imagen STEM de los 80 nm superiores. La superficie comienza debajo de la capa negra y la banda oscura en la imagen es el espaciador AlN. d) Análisis químico EDS de los 25 nm superiores. Los datos antes de 4 nm son los valores de fondo desde arriba de la superficie. Crédito:Universidad de Illinois
"Lo más importante para estos dispositivos GaN [HEMT] es tener una alta concentración de gas de electrones 2D, "dijo Bayram, sobre la acumulación de electrones en un canal en la interfaz entre el silicio y las diversas capas basadas en GaN por encima de él.
"El problema es que hay que controlar el equilibrio de deformación entre todas esas capas, desde el sustrato hasta el canal, para maximizar la densidad de los electrones conductores para obtener el transistor más rápido con la mayor potencia posible. densidad."
Después de estudiar tres configuraciones diferentes de capas de búfer, El equipo de Bayram descubrió que las capas de amortiguación más gruesas hechas de AlGaN graduado reducen la dislocación del hilo, y apilar esas capas reduce el estrés. Con este tipo de configuración, el equipo logró una movilidad de electrones de 1, 800 cm2 / V-seg.
"Cuanto menos tensión haya en la capa de GaN, cuanto mayor sea la movilidad, que en última instancia corresponde a frecuencias de funcionamiento de transistores más altas, "dijo Hsuan-Ping Lee, un investigador estudiante de posgrado de ECE que lidera el escalado de estos dispositivos para aplicaciones 5G.
Según Bayram, el siguiente paso para su equipo es fabricar HEMT de GaN de alta frecuencia completamente funcionales en una plataforma de silicio para su uso en las redes de datos inalámbricas 5G.
Cuando está completamente implementado, la red 5G permitirá velocidades de datos más rápidas para los 8 mil millones de teléfonos móviles del mundo, y proporcionará una mejor conectividad y rendimiento para los dispositivos de Internet de las cosas (IoT) y los automóviles sin conductor.
