[論文レビュー] AlN/beta-Ga2O3 based HEMT: a potential pathway to ultimate high power device

Yi Lu, Hsin-Hung Yao+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2019

Ga2O3 and related materials参考文献 4被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、極性誘起2DEG形成を活用することで、従来のデルタドーピング型またはメタル極性AlN/GaN HEMTと比較して、顕著に高い2DEG濃度、向上したDC出力特性、および高いブレークダウン電圧を達成する、新しいN極性AlN/β-Ga2O3ヘテロ構造HEMTを提案する。この設計は、AlN/β-Ga2O3界面における自己分極の差を活用し、高移動度・高出力トランジスタプラットフォームを実現する。将来の最終的なパワーデバイス応用に有望である。

ABSTRACT

Gallium Oxide (Ga2O3) has a huge potential on the power device for its high breakdown filed and good transport properties. beta-Ga2O3 as the thermodynamics stable phase, has been demonstrated to form high electron mobility transistor (HEMT) through delta-doping in the barrier due to its none-polar property. Following the development in III-V HEMT which turns from delta-doping-induced to polarization-induced 2DEG, an alternative method based on III-N materials/beta-Ga2O3 heterostructure is proposed that utilizing the polarization difference on the interface. Further requirements of electric field and conduction band difference show that only nitrogen (N)-polar AlN on beta-Ga2O3 can form the channel and hold large 2DEG concentration on the interface. Compared with conventional metal-polar AlN/GaN HEMT, the proposed N-polar AlN/beta-Ga2O3 HEMT show a much larger 2DEG concentration, the spontaneous-polarization-dominated electric field, better DC output performance, as well as higher breakdown voltage. This study provides a new research approach that shifting from delta-doping-induced to polarization-induced on beta-Ga2O3-based HEMT, which can also be a guideline for community excavating the application potential of Ga2O3.

研究の動機と目的

• デルタドーピングから極性誘起2DEG形成への移行により、Ga2O3ベースのHEMTの新たな道筋を模索すること。
• β-Ga2O3上での2DEG濃度とデバイス特性を最大化する最適なヘテロ構造配置を特定すること。
• 従来のメタル極性AlN/GaN HEMTと比較して、N極性AlN/β-Ga2O3の電気的および構造的利点を同定すること。
• 極性工学に基づく将来のGa2O3ベースのパワー・デバイスの設計指針を提供すること。

提案手法

• 強い自己分極を活用するため、β-Ga2O3の(010)面にN極性AlNを成長させたヘテロ構造設計を採用する。
• バンドアライメントおよび分極電荷密度の計算を用いた理論的分析により、界面における2DEG形成の可能性を評価する。
• 電界および伝導帯オフセットを評価し、AlN/β-Ga2O3界面における電子の蓄積可能性を確認する。
• シミュレーションに基づく性能指標を用いて、N極性AlN/β-Ga2O3における分極誘起2DEGとデルタドーピング型・メタル極性構造を比較分析する。
• 電界分布およびキャリア移動度に基づき、ブレークダウン電圧とDC出力特性の評価を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 N極性AlN/β-Ga2O3ヘテロ界面において、高出力応用に適した極性誘起2DEGが効果的に形成可能か？
• RQ2 N極性AlN/β-Ga2O3における2DEG濃度は、デルタドーピング型またはメタル極性AlN/GaN HEMTと比較してどのように異なるか？
• RQ3 提案構造が優れたDC特性と高いブレークダウン電圧を実現するための主な分極およびバンドアライメント要因は何か？
• RQ4 β-Ga2O3上でのAlNのN極性指向は、2DEG濃度とデバイス特性を最大化するための最適な構成か？

主な発見

• N極性AlN/β-Ga2O3ヘテロ構造は、強い自己分極のおかげで、従来のデルタドーピング型またはメタル極性AlN/GaN HEMTと比較して顕著に高い2DEG濃度を達成する。
• 分極誘起2DEGは主に自己分極電場によって支配され、高い電子移動度と低い抵抗率を実現する。
• デバイス構造は、高い電流密度と優れた飽和特性を示す、優れたDC出力特性を示す。
• β-Ga2O3の好適な電界分布および高い臨界電界強度のおかげで、ブレークダウン電圧が向上する。
• 理論的分析により、β-Ga2O3上にN極性AlNが存在する場合にのみ、安定な2DEG形成に必要な伝導帯オフセットと分極電場が得られることを確認した。
• 極性工学に基づく将来のGa2O3ベースのHEMTの設計フレームワークを確立し、最終的な高出力デバイスへの実現可能性のある道筋を提示した。