Team avancerer GaN-on-Silicon til skalerbare transistorer med høj elektronmobilitet

Et team af forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har avanceret galliumnitrid (GaN)-på-silicium-transistorteknologi ved at optimere sammensætningen af ​​de halvlederlag, der udgør enheden. Samarbejde med industripartnerne Veeco og IBM, holdet skabte højelektronmobilitetstransistorstrukturen (HEMT) på et 200 mm siliciumsubstrat med en proces, der vil skalere til større industristandard waferstørrelser.

Kan Bayram, en assisterende professor i elektro- og computerteknik (ECE), og hans team har skabt GaN HEMT-strukturen på en siliciumplatform, fordi den er kompatibel med eksisterende CMOS-fremstillingsprocesser og er billigere end andre substratmuligheder som safir og siliciumcarbid.

Imidlertid, silicium har sine udfordringer. Nemlig gitterkonstanten, eller mellemrum mellem siliciumatomer, stemmer ikke overens med atomstrukturen af ​​det GaN, der er vokset oven på det.

"Når du dyrker GaN på toppen, der er meget belastning mellem lagene, så vi dyrkede bufferlag [mellem silicium og GaN] for at hjælpe med at ændre gitterkonstanten til den rigtige størrelse, " forklarede ECE bachelor-forsker Josh Perozek, hovedforfatter af gruppens papir, "Undersøgelse af strukturelle, optisk, og elektriske karakteristika af en AlGaN/GaN transistorstruktur med høj elektronmobilitet over et 200 mm Si(1 1 1) substrat, "i Journal of Physics D:Anvendt fysik .

Uden disse bufferlag, der vil dannes revner eller andre defekter i GaN-materialet, hvilket ville forhindre transistoren i at fungere korrekt. Specifikt, disse defekter - gevinddislokationer eller huller, hvor atomer skal være - ødelægger egenskaberne af den 2-dimensionelle elektrongaskanal i enheden. Denne kanal er afgørende for HEMTs evne til at lede strøm og fungere ved høje frekvenser.

"Det vigtigste for disse GaN [HEMT]-enheder er at have høj 2D-elektrongaskoncentration, " sagde Bayram, om ophobning af elektroner i en kanal ved grænsefladen mellem silicium og de forskellige GaN-baserede lag over det.

"Problemet er, at du skal kontrollere belastningsbalancen mellem alle disse lag - fra substratet helt op til kanalen - for at maksimere tætheden af ​​de ledende elektroner for at få den hurtigste transistor med den højest mulige effekt massefylde."

Efter at have studeret tre forskellige bufferlagskonfigurationer, Bayrams team opdagede, at tykkere bufferlag lavet af graderet AlGaN reducerer gevindforskydning, og at stable disse lag reducerer stress. Med denne type konfiguration, holdet opnåede en elektronmobilitet på 1, 800 cm2/V-sek.

"Jo mindre belastning der er på GaN-laget, jo højere mobilitet vil være, som i sidste ende svarer til højere transistordriftsfrekvenser, " sagde Hsuan-Ping Lee, en ECE-studerende forsker, der leder skaleringen af ​​disse enheder til 5G-applikationer.

Ifølge Bayram, det næste skridt for hans team er at fremstille fuldt funktionelle højfrekvente GaN HEMT'er på en siliciumplatform til brug i 5G trådløse datanetværk.

Når det er fuldt udrullet, 5G-netværket vil muliggøre hurtigere datahastigheder for verdens 8 milliarder mobiltelefoner, og vil give bedre forbindelse og ydeevne til Internet of Things (IoT)-enheder og førerløse biler.