Zusammenfassung – Wir berichten über einen GaN-Leistungs-HEMT mit einer Durchbruchspannung von mehr als 800 V, der mittels MBE auf Saphir gewachsen ist. Die hohe Durchbruchspannung von über 800 V wird durch die Verwendung einer ultradünnen AlN-Pufferschicht, die durch MBE gewachsen ist, und die Implementierung einer Single-Level-Gate-Feldplattentechnik erreicht. Die MBE-Technik erleichtert das Wachstum einer dotierstofffreien Pufferschicht und pseudomorpher Epischichten, was für die hohe Zuverlässigkeit von GaN-Leistungs-HEMTs von Vorteil ist. Darüber hinaus trägt die Single-Level-Gate-Field-Plate-Technik dazu bei, die Gesamtherstellungskosten zu senken und erhöht auch die Zuverlässigkeit von GaN-Leistungs-HEMTs. Diese Vorzüge unterstreichen das Potenzial des beschriebenen GaN-Leistungs-HEMT für Anwendungen in der Hochleistungselektronik.
Schlüsselwörter: GaN-HEMTs, MBE, Feldplatte, Zusammenbruch
I. EINFÜHRUNG
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Leistungselektroniktechnologie haben sich Galliumnitrid (GaN)-Leistungsbauelemente zu einer neuen Generation von Hochleistungshalbleiterbauelementen entwickelt. GaN-Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs), die durch metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) gezüchtet werden, haben in kommerziellen Anwendungen von Hochleistungsschaltgeräten, einschließlich Netzteilen, Ladesäulen für Elektrofahrzeuge und Stromversorgungen für Kommunikationsbasisstationen, Erfolge erzielt [1]. Hier verwenden wir die Molekularstrahlepitaxie (MBE)-Technik, um GaN-HEMTs auf Saphir zu züchten. MBE bietet mehrere Vorteile: Erstens ermöglicht es eine präzise Steuerung der Wachstumsrate und Dicke des GaN und der zugehörigen Schichten mit atomarer Präzision. Dies ermöglicht die Herstellung hochwertiger Heteroübergänge, die für die hervorragende Leistung von GaN-HEMTs entscheidend sind. Zweitens wird der GaN-Wachstumsprozess in MBE unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt, wodurch der Einbau von Verunreinigungen und Defekten minimiert wird [2]. Dies führt zu einer verbesserten Elektronenmobilität und Ladungsträgereingrenzung innerhalb der zweidimensionalen Elektronengasregion (2DEG) von GaN-HEMTs. Darüber hinaus trägt die Fähigkeit, isolierende Pufferschichten ohne Dotierung der Materialien wachsen zu lassen, dazu bei, durch Fallen verursachte Phänomene wie den Stromkollapseffekt zu vermeiden, und führt auch zu einer höheren Zuverlässigkeit aufgrund des Fehlens von Fallen-bezogenen Leckagemechanismen. [3].
Darüber hinaus verwenden wir eine Single-Level-Gate-Feldplattentechnik, um die elektrische Feldverteilung zu optimieren und eine hohe Durchbruchspannung von über 800 V zu erreichen. Diese Technik ist die einfachste Form einer Feldplatte und trägt im Vergleich zu Multi-Level-Feldplatten dazu bei, die Gesamtherstellungskosten zu senken und die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Darüber hinaus kann der Übergang von einer einstufigen zu einer mehrstufigen Feldplatte zu noch höheren Durchbruchspannungen führen und damit die Anforderungen für Anwendungen in Elektrofahrzeugen und industriellen Stromversorgungen erfüllen.
II. EXPERIMENT
A. MBE-Wachstum
Wir verwendeten plasmaunterstützte MBE-Geräte, um eine vollständige HEMT-Struktur auf einem Saphirsubstrat herzustellen (Abb. 1 (a)). Zunächst wurde eine 1 µm dicke AlN-Pufferschicht auf dem Saphirsubstrat abgeschieden [4]. Anschließend wurden AlGaN-Schichten mit Al-Zusammensetzungen von 70 %, 50 % und 20 % aufgewachsen. Anschließend wurden ein 1-nm-AlN-Abstandhalter, eine GaN-Kanalschicht und eine 24-nm-30-%-AlGaN-Barriereschicht auf der AlGaN-Abstufungsschicht aufgewachsen. Abschließend wurde eine 10 nm dicke In-situ-SiN-Schicht als Passivierungsschicht abgeschieden.
Abb. 1 Schematische Darstellung (a) Epitaxiestruktur durch MBE und (b) Querschnitt eines GaN-Leistungs-HEMT
B. GaN-HEMT-Herstellung
Der schematische Querschnitt eines GaN-Leistungs-HEMT ist in Abb. 1 (b) dargestellt. Die Mesa-Isolierung des Geräts wurde mithilfe von induktiv gekoppeltem Plasma-reaktivem Ionenätzen (ICP-RIE) durchgeführt, um die GaN-Epischichten bis zu einer Tiefe von ~600 nm zu ätzen. Bei dieser Isolierung wurden die aktiven Regionen verschiedener Geräte isoliert, indem das 2DEG außerhalb dieser Regionen abgeschnitten wurde.
Ohmsche Source/Drain-Kontakte mit einem typischen Kontaktwiderstand von 1,2 Ω·mm wurden unter Verwendung von Ti/Al/Ni/Au (20/120/30/50 nm) erreicht, das durch Elektronenstrahlverdampfung und schnelles thermisches Tempern bei 800 °C in N2 für 30 Sekunden abgeschieden wurde. Anschließend wurde 150 nm SiN mittels induktiv gekoppelter Plasma-chemischer Gasphasenabscheidung (ICP-CVD) auf dem Wafer abgeschieden. Das Gate-Fenster (GS) wurde in der 150-nm-SiN-Schicht mit einer Vertiefungstiefe von ~120 nm geöffnet, so dass ~30 nm SiN als Gate-Isolator übrig blieben. Ti/Al/Ti (30/500/30 nm) wurde abgeschieden, um als Gate-Feldplattenmetall (GT) zu dienen. Das Gate GS und das Gate-Feldplattenmetall GT bildeten zusammen eine einstufige Gate-Feldplattenstruktur, um eine hohe Durchbruchspannung zu erreichen. Anschließend wurde 1 µm SiN mittels ICP-CVD abgeschieden und Durchgangslöcher (V0) mittels ICP-RIE erzeugt. Die Verbindung M1 zu den ohmschen Source/Drain-Kontakten wurde unter Verwendung von Ti/Al/Ti (30/1000/30 nm) durch die Durchgangslöcher V0 hergestellt. Abschließend wurde mittels ICP-CVD 2 µm dickes SiN als oberste Passivierungsschicht abgeschieden. Der hergestellte GaN-HEMT weist eine Gate-Länge (Lg) von ca. 2 µm, eine Gate-Feldplattenlänge von ca. 9 µm, eine Gate-Breite von ca. 100 µm, einen Gate-Source-Abstand (Lgs) von ca. 3,5 µm und einen Gate-Drain-Abstand (Lgd) von ca. 22 µm auf.
III. ERGEBNISSE UND DISKUSSION
Die Charakterisierung der Mesa-Isolierung des Geräts wurde auf zwei Mesa-Isolierungsquadraten mit einem Abstand von ~10 µm und einer Breite von ~100 µm durchgeführt. Abb. 2 zeigt die Mesa-Isolationseigenschaften mit einer Vorspannung mit zwei Anschlüssen im Bereich von 0 bis 1100 V. Der Leckstrom beträgt <2×10⁻⁷ A, was die hervorragenden Isoliereigenschaften der 1 µm dünnen AlN-Pufferschicht zeigt, die mittels MBE auf Saphir gewachsen ist. Dieses hervorragende Isolierverhalten ist für die Gewährleistung ausreichend hoher Durchbruchspannungen unerlässlich. Feigen. 3 und 4 zeigen die typischen DC-Ausgangs- und Übertragungseigenschaften der hergestellten GaN-HEMTs.
Abb. 2 Mesa-Isolationseigenschaften von GaN-Leistungs-HEMT, gezüchtet durch MBE
Abb. 3 Ausgangseigenschaften des mittels MBE gezüchteten GaN-Leistungs-HEMT
Abb. 4 Übertragungseigenschaften des mittels MBE gezüchteten GaN-Leistungs-HEMT
Der GaN-HEMT zeigt einen Durchlassstrom von ~160 mA/mm und einen Durchlasswiderstand von 45 Ω·mm bei einer Drain-Vorspannung (Vds) von 10 V und einer Gate-Vorspannung (Vgs) von 0 V, wie in Abb. 3 dargestellt. Die Schwellenspannung (Vth), die mithilfe der linearen Extrapolationsmethode (d. h. dem Gate-Vorspannungsabschnitt der linearen Extrapolation des Drain-Stroms am Spitzensteilheitspunkt) ermittelt wird, wird als extrahiert ca. -12,5 V für die GaN-HEMTs. Das Gerät weist ein EIN/AUS-Stromverhältnis von etwa 6×10⁴ und einen niedrigen Gate-Leckstrom von unter 1 µA/mm bei einer Drain-Vorspannung (Vds) von 5 V auf, wie in Abb. 4 dargestellt. Das durch MBE gezüchtete In-situ-SiN unterdrückt Grenzflächendefekte und ermöglicht so einen geringen Gate-Leckstrom und einen Gerätebetrieb [5]. Der relativ hohe ON-Widerstand ist auf den dünnen GaN-Kanal und eine Rückbarriere aus 20 % AlGaN zurückzuführen. Eine Erhöhung der Kanaldicke und der Barrierezusammensetzung sowie eine weitere Optimierung des Wachstumsprozesses werden zu einer Verringerung des ON-Widerstands führen [6].
Die Gate- und Source-Elektroden sind bei geerdetem Substrat auf -30 V bzw. 0 V vorgespannt. Die Eigenschaften im ausgeschalteten Zustand sind in Abb. 5 dargestellt. Ein Leckstrom von weniger als 10 µA/mm wird bei einer Gate-Drain-Spannung von 800 V erreicht, was auf eine Durchbruchspannung von mehr als 800 V hinweist. Während der Messung des Leckstroms im ausgeschalteten Zustand beträgt der Gate-Strom 1,9 µA/mm, was darauf hindeutet, dass der Leckstrom hauptsächlich vom Source-Injektionsstrom bei einer Drain-Vorspannung Vds von bis zu 800 V herrührt.
Durch die hier implementierte einstufige Feldplattenstruktur wird mit der einfachsten Feldplattenform effektiv eine Durchbruchspannung von mehr als 800 V erreicht. Dieser Ansatz trägt dazu bei, die gesamten Herstellungskosten zu senken und gleichzeitig eine hohe Durchbruchspannung aufrechtzuerhalten [7].
Abb. 5 Durchbruchseigenschaften von GaN-Leistungs-HEMT, gezüchtet durch MBE
IV. ABSCHLUSS
Es wurde über einen GaN-Leistungs-HEMT mit einer Durchbruchspannung von mehr als 800 V berichtet, der mittels MBE auf Saphir gewachsen ist. Eine Durchbruchspannung von mehr als 800 V wurde durch den Einsatz einer ultradünnen AlN-Pufferschicht, die mittels MBE aufgewachsen wurde, und unter Verwendung einer Single-Level-Gate-Feldplattentechnik erreicht. Der MBE-Wachstumsprozess erleichtert die Schaffung einer dotierstofffreien AlN-Pufferschicht, was die hohe Zuverlässigkeit des GaN-Leistungs-HEMT erhöht. Die Single-Level-Gate-Field-Plate-Technik führt zu geringeren Herstellungskosten und verbessert möglicherweise die Zuverlässigkeit des GaN-Leistungs-HEMT. Diese Vorteile verdeutlichen das Potenzial des hergestellten GaN-HEMT für Anwendungen in der Hochleistungselektronik zu geringen Kosten. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Reduzierung von Versetzungen konzentrieren, um die Durchbrucheigenschaften großer Geräte zu demonstrieren und den ON-Widerstand durch Optimierung der Zusammensetzungen der hinteren Barriere und der oberen Barriere sowie der Kanaldicke zu verringern.
Referenzen
[1] Zhibo Cheng, Xiangdong Li, Long Chen, Lezhi Wang, Zilan Li und Xi Tang, „Achieving ≥ 1200-V high-performance GaN HEMTs on sapphire with carbon-doped buffer“, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 71, S. 7689-7695, Dez. 2024.
[2] TD Moustakas, E Iliopoulos, AV Sampath, HM Ng, D Doppalapudi, M Misra, D Korakakis, R Singh, „Growth and device application of III-nitrides by MBE“, Journal of Crystal Growth, vol. 227–228, S. 13–20, Juli 2001.
[3] EV Lutsenko, MV Rzheutski, AG Vainilovich, IE Svitsiankou, VA Shulenkova, EV Muravitskaya, AN Alexeev, SI Petrov und GP Yablonskii, „MBE AlGaN/GaN HEMT Heterostructures with Optimized AlN buffer on Al2O3“, Semiconductors, vol. 52, S. 2107–2110, Februar 2019.
[4] Junbo Wang, Xiangdong Li, Zhibo Cheng, Tao Zhang, Wenyong Zhou und Long Chen, „Unterdrückung der Leckage von GaN-HEMTs auf einkristallinen AlN-Templaten durch Pufferoptimierung“, in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 71, S. 6609-6615, November 2024.
[5] Zhikai Tang, Qimeng Jiang, Yunyou Lu, Sen Huang, Shu Yang, Xi Tang und Kevin J. Chen, „600-V normalerweise aus SiNx /AlGaN/GaN MIS-HEMT mit großem Gate-Schwingung und niedrigem Stromkollaps“, IEEE Electron Device Letters, Bd. 34, S. 1373-1375, November 2013.
[6] Kathia Harrouche, Srisaran Venkatachalam, François Grandpierre, Etienne Okada und Farid Medjdoub, „Auswirkungen der undotierten Kanaldicke und der Kohlenstoffkonzentration auf AlN/GaN-on-SiC HEMT-Leistungen“, Applied Physics Express, vol. 15, S. 116504, November 2022.
[7] Xiangdong Li et al., „Demonstration of >8-kV GaN HEMTs with CMOS-kompatible Fertigung auf 6-Zoll-Saphirsubstraten für Mittelspannungsanwendungen“, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 71, S. 3989-3993, Juni 2024.
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[6] Kathia Harrouche, Srisaran Venkatachalam, François Grandpierre, Etienne Okada und Farid Medjdoub, „Auswirkungen der undotierten Kanaldicke und der Kohlenstoffkonzentration auf AlN/GaN-on-SiC HEMT-Leistungen“, Applied Physics Express, vol. 15, S. 116504, November 2022.
[7] Xiangdong Li et al., „Demonstration of >8-kV GaN HEMTs with CMOS-kompatible Fertigung auf 6-Zoll-Saphirsubstraten für Mittelspannungsanwendungen“, IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 71, S. 3989-3993, Juni 2024.
Der Einsatz von Festkörper-UVC-LED-Wasserdesinfektionssystemen erfordert eine genaue Bewertung der Reaktorhydrodynamik, der Zielwellenlängen und der Quellwasserqualitätsvariablen wie der UV-Durchlässigkeit (UVT). Im Gegensatz zu zerbrechlichen, kontinuierlich brennenden Quecksilberlampen bieten Deep-UV-LEDs eine platzsparende Stellfläche und ein sofortiges Ein-/Ausschalten, das der realen Strömungsdynamik entspricht. Durch die Kopplung von Konstantstromtreibern mit robusten Wärmemanagement-Arrays können Anlagentechniker präzise keimtötende Dosen abgeben, um chlorresistente Krankheitserreger zu neutralisieren. Dieser technische Überblick bietet die Dimensionierungskriterien, Umsetzungsstrategien und Wege zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, die zur Gewährleistung einer nachhaltigen, chemikalienfreien Biosicherheit erforderlich sind.
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Die Wahl zwischen Festkörper-UVC-LED-Technologie und herkömmlichen Quecksilberdampf-UV-Lampen erfordert einen tiefen Einblick in die Betriebseffizienz, Lebensdauer und Sicherheitskonformität. Während herkömmliche UV-Lampen eine breite Spektrumabdeckung bieten, die für große kommunale Einsätze geeignet ist, liefern UVC-LEDs schmalbandige, einstellbare Wellenlängen (265–280 nm), die die keimtötende Wirksamkeit maximieren. Darüber hinaus verfügen Solid-State-Arrays über Instant-On-Funktionen, eliminieren das Risiko von giftigem Quecksilber und verringern den Wartungsaufwand. Diese technische Bewertung hilft Facility Managern und Ingenieuren, Implementierungsrisiken sicher zu mindern, die Wärmeableitung zu optimieren und erfolgreich auf eine nachhaltige, ozonfreie Ultraviolett-Infrastruktur umzusteigen.
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