[論文レビュー] Diamond/c-BN HEMTs for power applications: A theoretical feasibility analysis

Namita Narendra, J. Narayan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、高電力電子素子におけるダイヤモンドのn形ドーピングの制限を克服するため、ダイヤモンド/立方晶ボロンナイトライド（c-BN）ヘテロ構造場効果トランジスタ（HEMT）を提案する。第一原理的DFT計算およびデバイスモデリングを用いて、高密度2次元電子ガス（>5×10¹² cm⁻²）を実現するタイプIバンドアライメントが可能であることを示し、予測される性能として10 A/cmの電流駆動能力、0.05 mΩ·cm²のオン抵抗、300 GHzのユニティゲイン帯域幅周波数を達成する。

ABSTRACT

Diamond is a promising material for high-power electronic applications in both the dc and rf domains. However, the predicted advantages are yet to be realized for a number of technical challenges. In particular, n-type devices have not been feasible due to the large ionization energies and low thermodynamic solubility limits of n-dopants. Motivated by the recent advances in nonequilibrium processing, we propose and theoretically examine a diamond/c-BN HEMT that can circumvent the critical limitations. A first-principles calculation suggests the desired type-I alignment at the heterojunction of these two nearly lattice matched semiconductors. The investigation also illustrates that a large sheet carrier density in excess of $5 imes10^{12}~\mathrm{cm^{-2}}$ can be induced in the undoped diamond channel by the gate bias. A subsequent analysis of a simple prototype design indicates that the proposed device can achieve large current drive (~10 A/cm), low $R_{on}$ ($\sim 0.05 ~ \mathrm{m}Ω\cdot \mathrm{cm}^2$), and high $f_T$ (~300 GHz) simultaneously.

研究の動機と目的

• 高いドーナーイオン化エネルギーと低い溶解度のため、長年の課題とされてきたダイヤモンドにおけるn形ドーピングの制限を克服すること。
• 高移動度・高電力・高周波数特性を実現するため、ダイヤモンド/c-BNヘテロ構造の可能性を探ること。
• 優れたパワーデバイス性能を達成するため、ダイヤモンド/c-BN HEMT構造の理論的妥当性を評価すること。
• 本新規ヘテロ構造におけるHEMT動作に不可欠なバンドアライメントおよびキャリア輸送特性を評価すること。
• c-BNバリアを用いたモジュレーションドーピングが、ドーピングされていないダイヤモンドチャネルに高いシートキャリア密度を実現可能かどうかを特定すること。

提案手法

• QUANTUM ESPRESSOを用いて、ダイヤモンド/c-BN界面におけるバンドオフセットを第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算で決定した。
• バルク差分に起因する価電子帯オフセット（ΔEV）を1.4 eVとし、界面ポテンシャル補正項ΔV ≈ -0.9 〜 -1.0 eVを加えることで、ΔEV ≈ 0.5 eVおよびΔEC ≈ 0.5 eVが得られた。
• 不完全イオン化を考慮したポissonシミュレータを用いて、導電帯プロファイルをモデル化し、ゲートバイアスゼロの状態でもダイヤモンド内に2次元電子ガスが形成されることを示した。
• 1次元ポアソン方程式および電流密度方程式に基づく電荷制御モデルを適用し、I_ds-V_dsおよびI_ds-V_gs特性をシミュレートした。
• 高電場下（E_cr = 10 kV/cm）における移動度劣化モデルを適用し、線形領域および飽和領域におけるドレイン電流を導出した。
• トランスコンダクタンス（g_m）および寄生静電容量（C_gs、C_gd）から、g_m / (2π(C_gs + C_gd))の式を用いてf_Tを推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンド/c-BNヘテロジャンクションでタイプIバンドアライメントを達成可能であり、効果的なモジュレーションドーピングが可能であるか？
• RQ2 ゲートバイアス下におけるドーピングされていないダイヤモンドチャネル内の予測シートキャリア密度は何か？5×10¹² cm⁻²を超えるか？
• RQ3 ダイヤモンド/c-BN HEMTは、次世代パワーデバイスに求められる低R_on、高電流駆動能力、高f_Tを同時に達成可能か？
• RQ4 ゲート電圧がダイヤモンドチャネル内の2次元電子ガス密度にどのように影響するか？しきい値電圧は何か？
• RQ5 提案デバイスのユニティゲイン帯域幅周波数（f_T）およびトランスコンダクタンス（g_m）の推定値は何か？

主な発見

• 第一原理的DFT計算により、ダイヤモンド/c-BN（111）界面でタイプIバンドアライメントが予測され、価電子帯オフセットが約0.5 eV、導電帯オフセットが0.5 eVであることが判明した。
• ゲートバイアス下において、ドーピングされていないダイヤモンドチャネル内に2次元電子ガスが形成され、シートキャリア密度が5×10¹² cm⁻²を超えることが確認された。
• プロトタイプデバイスモデルは、10 A/cmを超えるピークドレイン電流を予測しており、GaN/AlGaN HEMTと同等の性能を示す。
• 特定オン抵抗（R_on）は0.05 mΩ·cm²と推定され、GaNおよびSiCデバイスと比較して2桁の改善が達成された。
• ピークトランスコンダクタンス（g_m）はV_gs = 2 Vで580 mS/mmに達し、優れたゲート制御性と高い利得能力を示した。
• ユニティゲイン帯域幅周波数（f_T）は約280 GHzと推定され、サブミリ波帯域に位置づけられ、高周波数動作が可能である。