Received 5 February 2018; revised 13 April 2018; accepted 21 June
2018
This paper reports on the AlGaN/GaN
Schottky diodes (SDs) and high-electron-mobility transistors
(HEMTs) grown on a semi-insulating SiC substrate. The
electronic devices demonstrate an improved performance in
comparison with the ones processed on a sapphire substrate.
Both the SDs and HEMTs show much smaller leakage current
density and a higher ION/IOFF
ratio, reaching values down to 3.0±1.2 mA/cm2 and
up to 70 dB under the reverse electric field of 340 kV/cm,
respectively. The higher thermal conductivity of the SiC
substrate leads to the increase of steady current and
transconductance, and better thermal management of the HEMT
devices. In addition, a successful detection of terahertz
(THz) waves with the AlGaN/GaN HEMT is demonstrated at room
temperature. These results open further routes for the
optimization of THz designs which may result in development of
novel plasmonic THz devices.
Keywords:
SiC, GaN, Schottky diode, high electron mobility transistor,
THz detection
PACS: 72.80.Ey,
07.57.Kp, 85.60.Gz
Darbe pristatomi Šotkio diodai ir didelio
elektronų judrio tranzistoriai (HEMT), sukurti AlGaN/GaN
heterodarinių, užaugintų ant pusiau izoliuojančio SiC padėklo,
pagrindu. Šie elektroniniai įtaisai pasižymi geresniais
elektriniais parametrais, palyginti su analogiškais įtaisais,
pagamintais iš ant safyro padėklo užaugintų heterostruktūrų.
Tiek Šotkio diodai, tiek HEMT išsiskyrė mažesnėmis nuotėkio
srovėmis ir didesniu srovių ION/IOFF
santykiu, kurių skaitinės vertės atitinkamai neviršijo 3,0±1,2
mA/cm2 ir siekė iki 70 dB, kai užtvarine kryptimi
pridedamas iki 340 kV/cm stiprio elektrinis laukas. Be to,
buvo išmatuotos didesnės HEMT kanalu tekančios srovės, kurios
pasižymėjo stabilumu, ir pereigos laidžio vertės. Visas šias
pagerėjusias elektrines savybes lemia efektyvesnis šilumos
atidavimas iš įtaisų aktyviosios srities į aplinką, o tam turi
įtakos didesnis SiC šiluminio laidumo koeficientas. Parodyta,
kad AlGaN/GaN HEMT geba registruoti THz dažnio spinduliuotę
kambario temperatūroje, o detektorių charakterizuojančius
parametrus būtų galima optimizuoti parenkant tinkamą THz
anteną bei detektoriaus matmenis. Šie rezultatai atveria
galimybes ieškoti tinkamiausių sprendimų kuriant naujoviškus
plazmoninius THz prietaisus Lietuvoje.
References
/
Nuorodos
[1] R.S. Pengelly, S.M. Wood, J.W. Milligan, S.T. Sheppard, and
W.L. Pribble, A review of GaN on SiC high electron-mobility
power transistors and MMICs, IEEE Trans. Microw. Theory Tech.
60(6),
1764–1783 (2012),
https://doi.org/10.1109/TMTT.2012.2187535
[2] R. Quay,
Gallium Nitride Electronics (Springer
Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 2008),
https://doi.org/10.1007/978-3-540-71892-5
[3] V. Jakštas, I. Grigelionis, V. Janonis, G. Valušis, I.
Kašalynas, G. Seniutinas, S. Juodkazis, P. Prystawko, and M.
Leszczyński, Electrically driven terahertz radiation of 2DEG
plasmons in AlGaN/GaN structures at 110 K temperature, Appl.
Phys. Lett.
110(20), 202101 (2017),
https://doi.org/10.1063/1.4983286
[4] S. Boppel, M. Ragauskas, A. Hajo, M. Bauer, A. Lisauskas, S.
Chevtchenko, A. Rämer, I. Kasalynas, G. Valusis, H.-J. Würfl, et
al., 0.25-μm GaN TeraFETs optimized as THz power detectors and
intensity-gradient sensors, IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol.
6(2), 348–350 (2016),
https://doi.org/10.1109/TTHZ.2016.2520202
[5] P. Kruszewski, P. Prystawko, I. Kasalynas, A.
Nowakowska-Siwinska, M. Krysko, J. Plesiewicz, J.
Smalc-Koziorowska, R. Dwilinski, M. Zajac, R. Kucharski, and M.
Leszczynski, AlGaN/GaN HEMT structures on ammono bulk GaN
substrate, Semicond. Sci. Technol.
29(7), 75004 (2014),
https://doi.org/10.1088/0268-1242/29/7/075004
[6] D. Zhu, D.J. Wallis, and C.J. Humphreys, Prospects of
III-nitride optoelectronics grown on Si, Rep. Prog. Phys.
76(10),
106501 (2013),
https://doi.org/10.1088/0034-4885/76/10/106501
[7] V. Jakštas, I. Kašalynas, I. Šimkienė, V. Strazdienė, P.
Prystawko, and M. Leszczynski, Schottky diodes and high electron
mobility transistors of 2DEG AlGaN/GaN structures on sapphire
substrate, Lith. J. Phys.
54(4), 227–232 (2014),
https://doi.org/10.3952/physics.v54i4.3011
[8] P. Kruszewski, M. Grabowski, P. Prystawko, A.
Nowakowska-Siwinska, M. Sarzynski, and M. Leszczynski,
Properties of AlGaN/GaN Ni/Au-Schottky diodes on 2°-off silicon
carbide substrates, Phys. Status Solidi
214(4), 1600376
(2017),
https://doi.org/10.1002/pssa.201600376
[9] Y. Cordier, N. Baron, F. Semond, J. Massies, M. Binetti, B.
Henninger, M. Besendahl, and T. Zettler, In situ measurements of
wafer bending curvature during growth of group-III-nitride
layers on silicon by molecular beam epitaxy, J. Cryst. Growth
301–302,
71–74 (2007),
https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2006.11.126
[10] D.K. Schroder,
Semiconductor Material and Device
Characterization, 3rd ed. (John Wiley & Sons, Inc.,
Hoboken, NJ, USA, 2005),
https://doi.org/10.1002/0471749095
[11] M. Bauer, R. Venckevičius, I. Kašalynas, S. Boppel, M.
Mundt, L. Minkevičius, A. Lisauskas, G. Valušis, V. Krozer, and
H.G. Roskos, Antenna-coupled field-effect transistors for
multi-spectral terahertz imaging up to 4.25 THz, Opt. Express
22(16),
19235 (2014),
https://doi.org/10.1364/OE.22.019235
[12] A. Sešek, I. Kašalynas, A. Žemva, and J. Trontelj,
Antenna-coupled Ti-microbolometers for high-sensitivity
terahertz imaging, Sens. Actuators A Phys.
268, 133–140
(2017),
https://doi.org/10.1016/j.sna.2017.11.029