[논문 리뷰] AlN/beta-Ga2O3 based HEMT: a potential pathway to ultimate high power device

Yi Lu, Hsin-Hung Yao외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 16.

Ga2O3 and related materials참고 문헌 4인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 고도로 높은 2DEG 농도, 향상된 DC 출력 성능 및 더 높은 차단 전압을 달성하기 위해 분극화 유도 2DEG 형성을 활용하는 새로운 N-극성 AlN/베타-Ga2O3 이종구조 HEMT를 제안한다. 기존의 델타 doping 또는 금속-극성 AlN/GaN HEMT에 비해 뛰어난 성능을 발휘한다. 이 설계는 AlN/베타-Ga2O3 인터페이스에서의 자발 분극 차이를 이용하여 고이동도, 고전력 트랜지스터 플랫폼을 실현하며, 궁극적인 전력 장치 응용에 가능성을 지닌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 델타 도핑에서 분극화 유도 2DEG 형성으로의 전환을 통해 Ga2O3 기반 고전력 HEMT의 새로운 길을 탐색한다.
• 베타-Ga2O3 기반에서 2DEG 농도와 장치 성능을 최대화하는 최적의 이종구조 구성 조건을 규명한다.
• 기존의 금속-극성 AlN/GaN HEMT에 비해 N-극성 AlN이 베타-Ga2O3에 대해 가지는 전기적 및 구조적 이점들을 규명한다.
• 분극화 공 ingeneering 기반으로 미래의 Ga2O3 기반 전력 장치 설계 가이드라인을 제공한다.

제안 방법

• N-극성 AlN을 베타-Ga2O3의 (010) 표면에 에피택셜로 성장시켜 강한 자발 분극을 이용한 이종구조 설계를 수행한다.
• 밴드 정렬 및 분극 전하 밀도 계산을 통한 이론적 분석을 수행하여 인터페이스에서 2DEG 형성 잠재력을 평가한다.
• 전기장 및 도핑 밴드 오프셋을 평가하여 AlN/베타-Ga2O3 인터페이스에서 전자 축적의 가능성을 확인한다.
• 시뮬레이션 기반 성능 지표를 사용하여 N-극성 AlN/베타-Ga2O3의 분극화 유도 2DEG를 델타 도핑 및 금속-극성 구성과 비교한다.
• 전기장 분포 및 실리콘 이동도를 기반으로 차단 전압 및 DC 출력 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고전력 응용을 위한 N-극성 AlN/베타-Ga2O3 이종계면에서 분극화 유도 2DEG가 효과적으로 형성될 수 있는가?
• RQ2 델타 도핑 또는 금속-극성 AlN/GaN HEMT에 비해 N-극성 AlN/베타-Ga2O3의 2DEG 농도는 어떻게 다른가?
• RQ3 제안된 구조에서 향상된 DC 성능과 더 높은 차단 전압을 가능하게 하는 핵심 분극 및 밴드 정렬 요인은 무엇인가?
• RQ4 베타-Ga2O3에 대한 AlN의 N-극성 방향은 2DEG 및 장치 성능을 최대화하는 데 최적의 구성인가?

주요 결과

• 강한 자발 분극 덕분에 기존의 델타 도핑 또는 금속-극성 AlN/GaN HEMT에 비해 N-극성 AlN/베타-Ga2O3 이종구조는 뚜렷이 높은 2DEG 농도를 달성한다.
• 분극화 유도 2DEG는 주로 자발 분극장에 의해 지배되며, 이는 고이동도 및 저저항 특성을 가능하게 한다.
• 장치는 높은 전류 밀도 및 향상된 포화 특성을 포함한 뛰어난 DC 출력 성능을 나타낸다.
• 베타-Ga2O3의 유리한 전기장 분포 및 높은 임계 전기장 강도 덕분에 차단 전압이 향상된다.
• 이론적 분석을 통해 오직 N-극성 AlN/베타-Ga2O3 조합만이 안정적인 2DEG 형성을 위한 필요한 도핑 밴드 오프셋과 분극장 강도를 제공한다는 것이 확인되었다.
• 분극화 공 ingeneering 기반으로 미래의 Ga2O3 기반 HEMT를 위한 설계 프레임워크를 수립하였으며, 궁극적인 고전력 장치로의 실현 가능 길을 제시한다.