GaN em imagem de mapeamento de espessura de wafer de Si de 200 mm. Crédito:Universidade de Illinois
Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign tem tecnologia avançada de transistor de nitreto de gálio (GaN) -on-silício, otimizando a composição das camadas semicondutoras que compõem o dispositivo. Trabalhando com os parceiros da indústria Veeco e IBM, a equipe criou a estrutura do transistor de alta mobilidade de elétrons (HEMT) em um substrato de silício de 200 mm com um processo que será dimensionado para tamanhos maiores de wafer padrão da indústria.
Can Bayram, professor assistente de engenharia elétrica e da computação (ECE), e sua equipe criaram a estrutura GaN HEMT em uma plataforma de silício porque é compatível com os processos de fabricação CMOS existentes e é mais barata do que outras opções de substrato, como safira e carboneto de silício.
Contudo, o silício tem seus desafios. Nomeadamente, a constante de rede, ou espaço entre átomos de silício, não combina com a estrutura atômica do GaN crescido em cima dele.
"Quando você cresce o GaN no topo, há muita tensão entre as camadas, então, crescemos camadas de buffer [entre o silício e GaN] para ajudar a mudar a constante de rede para o tamanho adequado, "explicou o pesquisador de graduação da ECE, Josh Perozek, autor principal do artigo do grupo, "Investigação estrutural, óptico, e características elétricas de uma estrutura de transistor de alta mobilidade de elétrons AlGaN / GaN através de um substrato de 200 mm Si (1 1 1), " no Journal of Physics D:Física Aplicada .
Sem essas camadas de buffer, rachaduras ou outros defeitos irão se formar no material GaN, o que impediria o transistor de operar corretamente. Especificamente, esses defeitos - deslocamentos de rosca ou buracos onde deveriam estar os átomos - arruinam as propriedades do canal de gás de elétrons bidimensional no dispositivo. Este canal é crítico para a capacidade dos HEMTs de conduzir corrente e funcionar em altas frequências.
a) Estrutura transversal. b) Imagem TEM dos 80 nm superiores da estrutura HEMT. A camada cinza escuro marca o início da superfície. c) Imagem STEM dos 80 nm superiores. A superfície começa abaixo da camada preta e a faixa escura na imagem é o espaçador AlN. d) Análise Química EDS dos 25 nm superiores. Os dados anteriores a 4 nm são os valores de fundo acima da superfície. Crédito:Universidade de Illinois
"A coisa mais importante para esses dispositivos GaN [HEMT] é ter alta concentração de gás de elétrons 2D, "disse Bayram, sobre o acúmulo de elétrons em um canal na interface entre o silício e as várias camadas baseadas em GaN acima dele.
"O problema é que você tem que controlar o equilíbrio de deformação entre todas essas camadas - do substrato até o canal - de modo a maximizar a densidade dos elétrons condutores a fim de obter o transistor mais rápido com a maior potência possível densidade."
Depois de estudar três configurações diferentes da camada de buffer, A equipe de Bayram descobriu que camadas de buffer mais espessas feitas de AlGaN graduado reduzem o deslocamento do threading, e empilhar essas camadas reduz o estresse. Com este tipo de configuração, a equipe alcançou uma mobilidade de elétrons de 1, 800 cm2 / V-seg.
"Quanto menos tensão houver na camada de GaN, quanto maior será a mobilidade, que em última análise corresponde a frequências de operação de transistor mais altas, "disse Hsuan-Ping Lee, um estudante de graduação em ECE, pesquisador, liderando o dimensionamento desses dispositivos para aplicações 5G.
De acordo com Bayram, a próxima etapa de sua equipe é fabricar HEMTs GaN de alta frequência totalmente funcionais em uma plataforma de silício para uso em redes de dados sem fio 5G.
Quando estiver totalmente implantado, a rede 5G permitirá taxas de dados mais rápidas para os 8 bilhões de telefones celulares do mundo, e fornecerá melhor conectividade e desempenho para dispositivos de Internet das Coisas (IoT) e carros sem motorista.
