GaN su immagine di mappatura dello spessore del wafer di Si da 200 mm. Credito:Università dell'Illinois
Un team di ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign ha sviluppato una tecnologia avanzata di transistor al nitruro di gallio (GaN) su silicio ottimizzando la composizione degli strati di semiconduttori che compongono il dispositivo. Lavorando con i partner del settore Veeco e IBM, il team ha creato la struttura del transistor ad alta mobilità degli elettroni (HEMT) su un substrato di silicio da 200 mm con un processo che si adatterà a dimensioni di wafer standard del settore più grandi.
Can Bayram, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica (ECE), e il suo team hanno creato la struttura GaN HEMT su una piattaforma di silicio perché è compatibile con i processi di produzione CMOS esistenti ed è meno costosa di altre opzioni di substrato come lo zaffiro e il carburo di silicio.
Però, il silicio ha le sue sfide. Vale a dire, la costante reticolare, o spazio tra gli atomi di silicio, non corrisponde alla struttura atomica del GaN cresciuto su di esso.
"Quando coltivi il GaN in cima, c'è molta tensione tra gli strati, quindi abbiamo cresciuto gli strati tampone [tra il silicio e il GaN] per aiutare a cambiare la costante reticolare nella dimensione corretta, " ha spiegato il ricercatore universitario ECE Josh Perozek, autore principale dell'articolo del gruppo, "Indagine strutturale, ottico, e caratteristiche elettriche di una struttura di transistor ad elevata mobilità elettronica AlGaN/GaN su un substrato di Si(1 1 1) da 200 mm, " nel Journal of Physics D:Fisica Applicata .
Senza questi strati tampone, si formeranno crepe o altri difetti nel materiale GaN, che impedirebbe al transistor di funzionare correttamente. Nello specifico, questi difetti - dislocazioni di filettatura o fori dove dovrebbero essere gli atomi - rovinano le proprietà del canale del gas elettronico bidimensionale nel dispositivo. Questo canale è fondamentale per la capacità degli HEMT di condurre corrente e funzionare alle alte frequenze.
a) Struttura in sezione trasversale. b) Immagine TEM dei primi 80 nm della struttura HEMT. Lo strato grigio scuro segna l'inizio della superficie. c) Immagine STEM dei primi 80 nm. La superficie inizia sotto lo strato nero e la banda scura nell'immagine è lo spaziatore AlN. d) Analisi chimica EDS dei primi 25 nm. I dati prima di 4 nm sono i valori di fondo da sopra la superficie. Credito:Università dell'Illinois
"La cosa più importante per questi dispositivi GaN [HEMT] è avere un'elevata concentrazione di gas di elettroni 2D, " disse Bayram, sull'accumulo di elettroni in un canale all'interfaccia tra il silicio ei vari strati a base di GaN sopra di esso.
"Il problema è che devi controllare l'equilibrio della deformazione tra tutti quegli strati, dal substrato fino al canale, in modo da massimizzare la densità degli elettroni conduttori per ottenere il transistor più veloce con la massima potenza possibile densità."
Dopo aver studiato tre diverse configurazioni del livello buffer, Il team di Bayram ha scoperto che strati tampone più spessi fatti di AlGaN graduato riducono la dislocazione della filettatura, e impilare quegli strati riduce lo stress. Con questo tipo di configurazione, il team ha raggiunto una mobilità elettronica di 1, 800 cm2/V-sec.
"Meno sollecitazione c'è sullo strato di GaN, maggiore sarà la mobilità, che alla fine corrisponde a frequenze operative dei transistor più elevate, " disse Hsuan-Ping Lee, un ricercatore studente laureato ECE che guida il ridimensionamento di questi dispositivi per applicazioni 5G.
Secondo Bayram, il prossimo passo per il suo team è fabbricare HEMT GaN ad alta frequenza completamente funzionali su una piattaforma di silicio da utilizzare nelle reti di dati wireless 5G.
Quando è completamente distribuito, la rete 5G consentirà velocità di trasmissione dati più elevate per gli 8 miliardi di telefoni cellulari del mondo, e fornirà connettività e prestazioni migliori per i dispositivi Internet of Things (IoT) e le auto senza conducente.
