Estudo da influência das múltiplas conduções do MISHEMT sobre seus principais parâmetros digitais e analógicos

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Data

2022-07-27

Autores

Canales, Bruno Godoy

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Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

Os Transistores de Alta Mobilidade de Elétrons (HEMT) do tipo Metal-Isolante-Semicondutor (MIS) têm sido alvo de diversos estudos devido à sua capacidade de operação com altas frequências (RF), altas potências e em altas temperaturas, além de apresentar corrente de porta mais baixa que seu antecessor (HEMT) por possuir um isolante de porta. Neste trabalho, foram estudadas as diferentes conduções de corrente e como estas afetam os parâmetros elétricos básicos dos MISHEMTs de estruturas AlGaN/ AlN/ GaN. Por fim, o potencial desses dispositivos para aplicações analógicas será estudado. Para entender melhor o comportamento elétrico do dispositivo, foram avaliados o diagrama de bandas de energia e a concentração de elétrons, ambos ao longo da profundidade do dispositivo. Os parâmetros elétricos avaliados foram a tensão de limiar (Vt), a inclinação da região de sublimiar (SS), a transcondutância (gm), a condutância de saída (gD), a tensão Early (VEA) e o ganho intrínseco de tensão (Av). Neste estudo foram consideradas a variação da profundidade dos eletrodos de fonte e dreno (dSD), distância entre os eletrodos de fonte/ dreno e o eletrodo de porta (LGS & LGD), a espessura do isolante de porta (tox), e o comprimento do canal (Lg). O material do isolante de porta e fração molar do alumínio no material AlxGa1-xN (x) também foram alterados. Os resultados mostram que a condução no MISHEMT de estrutura de porta metal/ isolante/ AlGaN/ AlN/ GaN acontece por 3 diferentes canais, os quais são formados pelo acúmulo de elétrons, em ordem crescente de polarização de porta, na 3ª interface (AlN/ GaN) através da região onde se forma o gás bidimensional de elétrons (2DEG), na 2ª interface (AlGaN/ AlN) também através do 2DEG, e na 1ª interface (isolante da porta/ AlGaN) através da acumulação de elétrons por efeito de campo elétrico. Foi constatado que: conforme os eletrodos de fonte e dreno se tornam mais espessos e atingem maiores profundidades, a resistência vertical entre os eletrodos de fonte/ dreno e os canais é reduzida; o aumento da espessura do isolante de porta causa maior queda do campo elétrico ao longo do isolante, o que altera o valor de polarização de porta que faz com que corte o canal nessas regiões (Vt); o aumento da espessura da camada AlGaN aumenta a resistência vertical entre os eletrodos de fonte/ dreno e os canais; a alteração na fração molar do AlGaN altera suas propriedades, que por sua vez, altera o comportamento de todos os canais com relação à predominância de cada canal na corrente total do dispositivo; o comprimento da porta altera principalmente a influência da 1ª interface na condução; os canais são afetados por efeito de saturação, semelhante ao efeito da modulação do comprimento do canal; com uma alta influência da 1ª interface na condução (baixo LGS & LGD), é possível atingir valores maiores de ganhos de tensão para polarizações de porta mais positivas.
The Metal-Insulator-Semiconductor (MIS) High Electron Mobility Transistors (HEMT) have been the subject of several studies due to their ability to operate at high frequencies (RF), high powers and at high temperatures, in addition to their lower gate current than its predecessor (HEMT) because of its gate insulator. In this work, the different current conductions were studied and how they affect the AlGaN/ AlN/ GaN MISHEMTs basic electrical parameters. Finally, the potential of these devices for analog applications will be studied. To better understand the electrical behavior of the device, the band diagram and the electron concentration were evaluated, both along the device’s depth. The electrical parameters evaluated were the threshold voltage (Vt), the subthreshold slope (SS), the transconductance (gm), the output conductance (gD), the Early voltage (VEA) and the intrinsic voltage gain (Av). In this study, the variation in the depth of the source and drain electrodes (dSD), the distance between the source/drain electrodes and the gate electrode (LGS & LGD), the thickness of the gate insulator (tox), and the channel length (Lg). The material of the gate insulator and the aluminum molar fraction in the AlxGa1-xN (x) were also changed. The results show that the conduction in the metal/ insulator/ AlGaN/ AlN/ GaN MISHEMT occurs through 3 different channels, which are formed by the accumulation of electrons, in increasing order of gate polarization, at the 3rd interface (AlN/ GaN) through the region where the two-dimensional electron gas (2DEG) is formed, at the 2nd interface (AlGaN/ AlN) also through 2DEG, and at the 1st interface (gate insulator/ AlGaN) through the accumulation of electrons by electric field effect. It was found that: as the source and drain electrodes become thicker and go deeper, the vertical resistance between the source/ drain electrodes and the channels is reduced; increasing the thickness of the gate insulator causes a greater drop in the electric field along the insulator, which changes the gate voltage that causes it to cut the channel in these regions (Vt); increasing the thickness of the AlGaN layer increases the vertical resistance between the source/drain electrodes and the channels; the change in the AlGaN molar fraction changes its properties, which in turn, changes the behavior of all channels with respect to the predominance of each channel in the total current of the device; the gate length mainly changes the influence of the 1st interface on the conduction; channels are affected by saturation effect, similar to channel length modulation effect; with a high influence of the 1st interface on the conduction (low LGS & LGD), it is possible to achieve higher values of voltage gain for more positive gate voltages.

Descrição

Palavras-chave

Engenharia elétrica, Microeletrônica, Semicondutores, Transistores

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