Bruno Godoy Canales Estudo da influência das múltiplas conduções do MISHEMT sobre seus principais parâmetros digitais e analógicos São João da Boa vista 2022 Bruno Godoy Canales Estudo da influência das múltiplas conduções do MISHEMT sobre seus principais parâmetros digitais e analógicos Defesa de dissertação Dissertação apresentada para obtenção do título de Mestre em Engenharia Elétrica, junto ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” campus de São João da Boa Vista. Orientadora: Profª. Drª. Paula Ghedini Der Agopian São João da Boa Vista 2022 C212e Canales, Bruno Godoy Estudo da influência das múltiplas conduções do MISHEMT sobre seus principais parâmetros digitais e analógicos / Bruno Godoy Canales. -- São João da Boa Vista, 2022 98 p. Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista (Unesp), Faculdade de Engenharia, São João da Boa Vista Orientadora: Paula Ghedini Der Agopian 1. Transistores. 2. Semicondutores. 3. Microeletrônica. 4. Engenharia elétrica. I. Título. Sistema de geração automática de fichas catalográficas da Unesp. Biblioteca da Faculdade de Engenharia, São João da Boa Vista. Dados fornecidos pelo autor(a). Essa ficha não pode ser modificada. UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Câmpus de São João da Boa Vista Estudo da influência das múltiplas conduções do MISHEMT sobre seus principais parâmetros digitais e analógicos TÍTULO DA DISSERTAÇÃO: CERTIFICADO DE APROVAÇÃO AUTOR: BRUNO GODOY CANALES ORIENTADORA: PAULA GHEDINI DER AGOPIAN Aprovado como parte das exigências para obtenção do Título de Mestre em ENGENHARIA ELÉTRICA, área: Sistemas Eletrônicos pela Comissão Examinadora: Profª Drª PAULA GHEDINI DER AGOPIAN (Participaçao Virtual) Coordenadoria de Curso de Engenharia Eletronica e de Telecomunicacoes / Faculdade de Engenharia de Sao Joao da Boa Vista UNESP Prof. Dr. WILIAN MIRANDA DOS SANTOS (Participaçao Virtual) Coordenadoria de Curso de Engenharia Aeronáutica / Faculdade de Engenharia de São João da Boa Vista - UNESP Prof. Dr. JOÃO ANTONIO MARTINO (Participaçao Virtual) Engenharia Elétrica, sistemas eletrônicos / Escola Politécnica da Universidade de São Paulo São João da Boa Vista, 27 de julho de 2022 Faculdade de Engenharia - Câmpus de São João da Boa Vista - Profª Isette Corrêa Fontão, 505, 13876750, São João da Boa Vista - São Paulo http://www.sorocaba.unesp.br/#!/pos-graduacao/--engenharia-eletrica-local/CNPJ: 48031918004111. Verônica Liberali Messias Supervisora Técnica de Seção Seção Técnica de Graduação e Pós-Graduação AGRADECIMENTOS À minha orientadora, professora Paula Ghedini Der Agopian pelos valiosos ensinamentos, pela dedicação e pela confiança depositada. Aos meus pais Tânia e Herivelto, irmãos Yan e Roberto e amigo Luiz por tornarem meu trabalho possível e por me apoiarem durante a vida. O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior – Brasil (CAPES) – Código de Financiamento 001. 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. Palavras chave: MISHEMT, Comportamento elétrico, Múltiplas conduções, Estrutura, AlGaN, AlN, GaN. ABSTRACT 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. Keywords: MISHEMT, Electrical behavior, Multiple conductions, Structure, AlGaN, AlN, GaN. LISTA DE FIGURAS Figura 1.1: Recorte das colunas 3 a 5 da tabela periódica. Fonte: adaptado de Holzle (2021). ............................................................................................ 19 Figura 1.2: Evolução dos transistores utilizados para aplicações com média e alta potência e alta frequência de chaveamento. Fonte: adaptado de Onsemi (2021). ......................................................................................... 20 Figura 1.3: Seção transversal de um HEMT. Fonte: Adaptado de Nirmal & Ajayan, (2019). .......................................................................................... 21 Figura 1.4: Seção transversal de um MISHEMT. ............................................. 22 Figura 2.1: Seção transversal do NMOSFET convencional. ............................ 24 Figura 2.2: MOSFET no regime de inversão. ................................................... 25 Figura 2.3: Curvas características do NMOSFET convencional: (a) curva IDS x VGS e (b) curvas IDS x VDS para dois valores de VGS. Fonte: Adaptado de Sedra & Smith (2015). ............................................................................... 26 Figura 2.4: Seção transversal do HEMT, destacando a junção Schottky e a região de depleção formada por ela. ......................................................... 28 Figura 2.5: Classificação de heterojunções. Fonte: adaptado de Nirmal & Ajayan (2019). ........................................................................................... 29 Figura 2.6: Heterojunção tipo I após o contato e balanço de energia. Fonte: adaptado de Nirmal & Ajayan (2019). ....................................................... 30 Figura 2.7: Célula unitária da wurtzita. Fonte: Troy et al. (2021b) .................... 31 Figura 2.8: Comparação entre uma heteroestrutura formada com materiais com parâmetros de rede iguais e uma heteroestrutura formada com materiais com parâmetros de rede distintos. Fonte: adaptado de Nirmal & Ajayan (2019). ....................................................................................................... 32 Figura 2.9: Efeito da polarização interna em uma wurtzita de nitretos III-V dopados com impurezas tipo n. Fonte: adaptado de He et al. (2015). ...... 32 Figura 2.10: MOSHEMT genérico .................................................................... 35 Figura 2.11: Comparação entre as correntes pela porta do HEMT e do MOSHEMT. Fonte: adaptado de Nirmal & Ajayan (2019). ........................ 35 Figura 2.12: Seção transversal de um MISHEMT Si3N4/AlGaN/AlN/GaN. ....... 36 Figura 2.13: Comparação de IDS e gm entre um MOSHEMT sem a camada AlN e um com a camada. Fonte: adaptado de Hu et al. (2018). ...................... 36 Figura 2.14: Diagrama de bandas e densidade de elétrons do MISHEMT Al0,83Ga0,17N/AlN/GaN. Fonte: adaptado de Lachab et al. (2014) ............. 37 Figura 2.15: (A) Método da segunda derivada para extração de Vt de uma curva IDS x VGS genérica. (B) Derivada terceira de IDS x VGS. .................... 39 Figura 2.16: Gráfico em escala logarítmica de IDS x VGS e do inverso da derivada de log10(IDS) x VGS na região de sublimiar de um MOSFET convencional. ............................................................................................ 40 Figura 2.17: Transcondutância em função da tensão aplicada à porta do transistor. .................................................................................................. 41 Figura 2.18: Método gráfico para a extração da tensão Early. Fonte: adaptado de Sedra & Smith (2015). .......................................................................... 42 Figura 3.1: MISHEMT simulado. ...................................................................... 45 Figura 3.2: Demonstração de estruturas com diferentes profundidades dos eletrodos de fonte e dreno, dSD. ................................................................ 46 Figura 4.1: Curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) medida em escalas linear e semilog dos dispositivos fabricados estudados. ..................................................... 48 Figura 4.2: Gráfico da transcondutância dos dispositivos fabricados estudados. .................................................................................................................. 49 Figura 4.3: Gráfico da segunda derivada de IDS x VGS suavizado dos dispositivos fabricados estudados. ............................................................ 49 Figura 4.4: Dupla inclinação na curva de gm, sugerindo dupla condução. ....... 50 Figura 4.5: Curvas IDS x VDS para 3 valores de VGS, normalizadas, do MISHEMT com Si3N4 de espessura 2 nm como isolante de porta. ............................ 51 Figura 4.6: Curva IDS x VGS e gm,sat para VDS = 5 V, normalizadas, do MISHEMT com Si3N4 de espessura 2 nm como isolante de porta. ............................ 51 Figura 4.7: MOSHEMT referência simulado. .................................................... 52 Figura 4.8: Curvas IDS x VGS (VDS = 50 mV) e gm do dispositivo referência simulado. ................................................................................................... 53 Figura 4.9: Corte no centro da estrutura que indica a posição da extração de EC e concentração de elétrons. ...................................................................... 53 Figura 4.10: (A) Concentração de elétrons, (B) diagrama de bandas e (C) aproximação do diagrama de bandas, todos em relação à profundidade do dispositivo simulado para uma polarização de VGS = 0 V e VDS = 0 V. ..... 54 Figura 4.11: Gráficos utilizados como critério para seleção dos valores de VGS para investigação dos diagramas de EC e de concentração de elétrons... 55 Figura 4.12: Diagrama da energia da banda de condução versus a profundidade do MOSHEMT simulado com diferentes tensões de porta. . 56 Figura 4.13: Diagrama da concentração de elétrons versus a profundidade do MOSHEMT simulado com diferentes tensões de porta. ........................... 56 Figura 4.14: Gráficos da corrente de dreno em função de VGS de MOSHEMTs com diferentes profundidades de eletrodo e com LGS = LGS = 50 nm. ...... 58 Figura 4.15: Gráficos de transcondutância de MOSHEMTs com diferentes profundidades de eletrodo e com LGS = LGS = 50 nm. ............................... 59 Figura 4.16: (A) Curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) em escala semilog e (B) gráfico de dVGS/dlog(IDS) dos MOSHEMTs com diferentes dSD. ........................... 60 Figura 4.17: Gráfico da segunda derivada da curva IDS x VGS dos MOSHEMTs com diferentes dSD. .................................................................................... 61 Figura 4.18: Curvas IDS x VGS (VDS = 50 mV) e gm de baixo campo dos MOSHEMTs com dSD ≠ GaN e diferentes LGS & LGD. ................................ 62 Figura 4.19: Curvas IDS x VGS (VDS = 50 mV) e gm de baixo campo dos MOSHEMTs com dSD = GaN e diferentes LGS & LGD................................. 63 Figura 4.20: Gráfico de dVGS/dlog(IDS) para MOSHEMTs com diferentes dSD e com LGS & LGD = [50 nm; 500 nm; 1000 nm] ............................................. 64 Figura 4.21: Gráfico da segunda derivada da curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) dos MOSHEMTs com dSD = AlN e diferentes LGS & LGD .................................. 64 Figura 4.22: Gráfico da segunda derivada da curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) dos MOSHEMTs com dSD = GaN e diferentes LGS & LGD................................. 65 Figura 4.23: Comparação entre as curvas de transcondutância de MISHEMTs com diferentes dSD e LGS & LGD. ................................................................ 65 Figura 4.24: Comparação entre as curvas da segunda derivada de IDS x VGS de MISHEMTs com diferentes dSD e LGS & LGD. ............................................. 66 Figura 4.25: Curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) dos MISHEMTs com diferentes materiais de isolante de porta e diferentes tox. .......................................... 67 Figura 4.26: (A) Curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) em escala semilog e (B) gráfico de dVGS/dlog(IDS) dos MISHEMTs com diferentes materiais de isolante de porta e diferentes tox .................................................................................. 68 Figura 4.27: Gráfico da segunda derivada da curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) dos MISHEMTs com diferentes materiais de isolante de porta e diferentes tox .................................................................................................................. 68 Figura 4.28: Curva de transcondutância dos MISHEMTs com diferentes materiais de isolante de porta e diferentes tox. .......................................... 69 Figura 4.29: Curva IDS x VGS dos (VDS = 50 mV) MISHEMTs com dSD = AlN e dSD = GaN , LGS & LGD = 50 nm e diferentes tAlGaN. ................................... 70 Figura 4.30: Curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) dos MISHEMTs com dSD = AlN e dSD = GaN , LGS & LGD = 1000 nm e diferentes tAlGaN. ............................... 70 Figura 4.31: (A) Curva de transcondutância e (B) segunda derivada de IDS x VGS dos MISHEMTs com dSD = AlN, LGS & LGD = 50 nm e diferentes tAlGaN. .... 71 Figura 4.32: (A) Curva de transcondutância e (B) segunda derivada de IDS x VGS dos MISHEMTs com dSD = GaN, LGS & LGD = 50 nm e diferentes tAlGaN. ... 72 Figura 4.33: (A) Curva de transcondutância e (B) segunda derivada de IDS x VGS dos MISHEMTs com dSD = AlN, LGS & LGD = 1000 nm e diferentes tAlGaN. 72 Figura 4.34: (A) Curva de transcondutância e (B) segunda derivada de IDS x VGS dos MISHEMTs com dSD = GaN, LGS & LGD = 1000 nm e diferentes tAlGaN.73 Figura 4.35: (A) Curva de IDS x VGS em escala semilog e (B) dVGS/dlog(IDS) dos MISHEMTs com ambos dSD, LGS & LGD = 50 nm e diferentes tAlGaN. ......... 74 Figura 4.36: (A) Curva de IDS x VGS em escala semilog e (B) dVGS/dlog(IDS) dos MISHEMTs com ambos dSD, LGS & LGD = 1000 nm e diferentes tAlGaN. ..... 74 Figura 4.37: Curvas IDS x VGS (VDS = 50 mV) para um MISHEMTs com (A) dSD = AlN e LGS & LGD = 50 nm, (B) dSD = AlN e LGS & LGD = 1000 nm, (C) dSD = GaN e LGS & LGD = 50 nm, e (D) dSD = GaN e LGS & LGD = 1000 nm com diferentes concentrações de alumínio em AlGaN. .................................... 75 Figura 4.38: Curvas de transcondutância para um MISHEMTs com (A) dSD = AlN e LGS & LGD = 50 nm, (B) dSD = AlN e LGS & LGD = 1000 nm, (C) dSD = GaN e LGS & LGD = 50 nm, e (D) dSD = GaN e LGS & LGD = 1000 nm com diferentes concentrações de alumínio em AlGaN. .................................... 76 Figura 4.39: Diagrama da energia da banda de condução do MISHEMTS com dSD = AlN, LGS = 50 nm e diferentes frações molares. .............................. 77 Figura 4.40: Diagrama da concentração de elétrons do MISHEMTS com dSD = AlN, LGS = 50 nm e diferentes frações molares. ........................................ 78 Figura 4.41: Curvas IDS x VGS (VDS = 50 mV) dos MISHEMTs com dSD = [AlN; GaN], LGS = 50 nm e diferentes Lg. ........................................................... 79 Figura 4.42: Curvas de transcondutância dos MISHEMTs com dSD = [AlN; GaN], LGS = 50 nm e diferentes Lg. ........................................................... 79 Figura 4.43: Curvas de dVGS/dlog(IDS) dos MISHEMTs com dSD = [AlN; GaN], LGS = 50 nm e diferentes Lg. ..................................................................... 80 Figura 4.44: Curvas IDS x VGS e gm dos dispositivos simulados. ....................... 81 Figura 4.45: Curva da derivada 2ª da curva IDS x VGS dos dispositivos simulados. ................................................................................................. 82 Figura 4.46: Curvas IDS x VDS para diferentes polariações de porta. ................ 82 Figura 4.47: Perfis de concentração de elétrons do dispósitivo referência (Lg = 400 nm e LGS & LGD =- 50 nm) para diferentes polarizações de porta e dreno. ........................................................................................................ 83 Figura 4.48: Perfis de concentração de elétrons do dispósitivo referência (Lg = 200 nm e LGS & LGD =- 50 nm) para diferentes polarizações de porta e dreno. ........................................................................................................ 84 Figura 4.49: Perfis de concentração de elétrons do dispósitivo referência (Lg = 400 nm e LGS & LGD =- 1000 nm) para diferentes polarizações de porta e dreno. ........................................................................................................ 85 Figura 4.50: Curva IDS x VGS em saturação (VDS = 6 V) dos dispositivos com diferentes Lg e LGS & LGD. ......................................................................... 86 Figura 4.51: Gráficos em barra dos resultados de gD e VEA dos diferentes MISHEMTs sob diferentes VGS.................................................................. 87 Figura 4.52: Gráficos em barra dos resultados de Av dos diferentes MISHEMTs sob diferentes VGS. .................................................................................... 87 Figura 4.53: Concentração de elétrons nas 3 interfaces do MISHEMT com Lg = 400 nm e LGS & LGD = 50 nm para 3 diferentes VGS. ................................. 89 Figura 4.54: Concentração de elétrons nas 3 interfaces do MISHEMT com Lg = 400 nm e LGS & LGD = 1000 nm para 3 diferentes VGS. ............................. 89 Figura 4.55: Curvas IDS x VDS para 3 valores de VGT do dispositivo físico com Si3N4 de 2 nm como isolante de porta e do dispositivo simulado com Lg = 400 nm e LGS & LGD = 1000 nm. ................................................................ 90 LISTA DE TABELAS Tabela 2.1: Principais parâmetros elétricos do MOSFET. ................................ 27 Tabela 2.2: Parâmetros de banda em temperatura ambiente. ......................... 29 Tabela 2.3: Polarização espontânea de alguns materiais. ............................... 31 Tabela 2.4: Propriedades básicas dos isolantes. Fonte: Adaptado de Nirmal & Ajayan (2019). ........................................................................................... 37 Tabela 4.1: Resultados dos parâmetros analógicos do MISHEMT com Si3N4 de 2 nm de espessura como isolante de porta para três polarizações de porta para VDS = 5 V. .......................................................................................... 52 Tabela 4.2: Quantidade de elétrons nas camadas barreira (AlGaN) e buffer (GaN) do MISHEMT para diferentes valores de fração molar de Al em AlxGax-1N. .................................................................................................. 78 Tabela 4.3: : Resultados de parâmetros analógicos de MISHEMTs com diferentes Lg e LGS & LGD para VDS = 6 V. ................................................. 86 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS MOSFET Transistor de efeito de campo do tipo metal-óxido-semicondutor – Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor CI Circuito Integrado ULSI Integração em escala ultra alta – Ultra Large Scale Integration SHE Efeitos de auto aquecimento – Self Heating Effects SCE Efeitos de canal curto – Short Channel Effects TFET Transistor de tunelamento induzido por efeito de campo – Tunneling Field Effect Transistor SOI Silício sobre isolante – Silicon on insulator UTBB Transistor de corpo e óxido enterrado ultra finos – Ultra-Thin Body and Buried oxide GaN Nitreto de gálio AlN Nitreto de alumínio AlGaN Nitreto de alumínio e gálio SiC Carbeto de silício IGBT Transistor bipolar de porta isolada – Isolated Gate Bipolar Transistor SJ MOSFET de super junção – Super Junction MOSFET HEMT Transistor de alta mobilidade dos elétrons – High Electron Mobility Transistor GaAs Arseneto de gálio AlGaAs Arseneto de alumínio e gálio 2DEG Gás de elétrons bidimensional – Two-Dimensional Electron Gas MIS Metal-isolante-semicondutor MOSHEMT Transistor de alta mobilidade dos elétrons do tipo metal-óxido- semicondutor – Metal-Oxide-Semiconductor High Electron Mobility Transistor MISHEMT Transistor de alta mobilidade dos elétrons do tipo metal-isolante- semicondutor – Metal-Insulator-Semiconductor High Electron Mobility Transistor RF Rádio frequência ddp Diferença de potencial TE Emissão termiônica – Thermionic Emission PF Emissão Poole-Frankel TAT Tunelamento assistido por armadilhas – Trap-Assisted Tunneling Si3N4 Nitreto de silício Al2O3 Óxido de alumínio SRH Schokley-Read Hall LISTA SÍMBOLOS Av Ganho intrínseco de tensão [dB] CD Capacitância da depleção [F] CGS Capacitância entre porta e fonte [F] Cox Capacitância do óxido de porta por unidade de área [F/m²] Cit Capacitância proveniente das armadilhas de interface por unidade de área [F/m²] cij Constante elástica [N/m] dSD Profundidade dos eletrodos de fonte e dreno [m] dmáx Largura máxima da região de depleção [m] d31 Coeficiente de tensão piezoelétrica [C/N] EC Nível da energia da banda de condução [eV]. EF Nível da energia do nível de Fermi [eV] EV Nível da energia da banda de valência [eV] Eg Largura da banda proibida [eV]. fT Frequência de transição [Hz] fmáx Frequência máxima de oscilação [Hz] gD Condutância de saída [S] gD,sat Condutância de saída em saturação [S] gm Transcondutância [S] gm,sat Transcondutância de saturação [S] gm,máx Transcondutância máxima [S] IDS Corrente de dreno [A] IDS,sat Corrente de dreno em saturação [A] Ig Corrente de fuga pela porta [A] k Constante de Boltzmann [kg.m²/K.s²] Lg Comprimento do canal [m] LGS Distância entre os eletrodos de fonte e porta [m] LGD Distância entre os eletrodos de dreno e porta [m] Leletrodos Comprimento dos eletrodos de fonte e de dreno [m] Ltransistor Comprimento total do transistor [m] NA Conc. de impurezas aceitadoras no semic. tipo P [m-3] ns Concentração de folha ou do 2DEG [cm-3] PPE Polarização piezoelétrica [V] PSP Polarização espontânea [V] Pint Polarização interna [V] QSS Densidade de cargas efetiva no óxido de porta [C/m²] q Carga elementar do elétron [C] RG Resistência da porta [Ω] RSD Resistência série de fonte e dreno [Ω] Ri Resistência intrínseca [Ω] Ro Resistência de saída [Ω] SS Inclinação de sublimiar [V/dec] T Temperatura [K] tAlGaN Espessura da camada de barreira feita de AlGaN [m] td Espessura da camada de barreira [m] tox Espessura do isolante de porta [m] VBr Tensão de ruptura [V] VDS Tensão de dreno [V] VDS,sat Tensão de dreno em saturação [V] VEA Tensão Early [V] VGS Tensão de porta em relação à fonte [V] Veff Tensão efetiva [V] Vfb Tensão de faixa plana [V] Vt Tensão de limiar [V] W Largura do canal [m] x Fração molar [1] ϕF Potencial de Fermi [eV] ϕMS Diferença entre função trabalho entre metal e semic. [eV] εr Permissividade elétrica relativa [F] εxx Tensão mecânica na direção horizontal [Pa] µ Mobilidade dos portadores [m²/V.s] µN Mobilidade dos elétrons [m²/V.s] ꭕ Afinidade eletrônica [eV] SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ......................................................................................... 18 1.1 OBJETIVO ........................................................................................................................... 22 1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................................................. 23 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................... 24 2.1 TRANSISTOR DE EFEITO DE CAMPO DO TIPO METAL-ÓXIDO-SEMICONDUTOR (MOSFET)....... 24 2.2 TRANSISTOR DE ALTA MOBILIDADE DOS ELÉTRONS (HEMT) ................................................ 27 2.2.1 Classificação de heteroestruturas e formação do 2DEG......................................... 28 2.2.2 Polarização interna .................................................................................................. 30 2.2.3 Características de corrente e equacionamento básico ............................................ 33 2.3 TRANSISTOR DE ALTA MOBILIDADE DOS ELÉTRONS DO TIPO METAL-ISOLANTE-SEMICONDUTOR (MISHEMT) .................................................................................................................. 34 2.4 PARÂMETROS ELÉTRICOS BÁSICOS ..................................................................................... 38 2.4.1 Tensão de limiar (Vt) ................................................................................................ 38 2.4.2 Inclinação da região de sublimiar (SS) .................................................................... 39 2.4.3 Transcondutância (gm) ............................................................................................ 40 2.4.4 Tensão Early (VEA) e condutância de saída (gD) ..................................................... 41 2.4.5 Ganho intrínseco de tensão (Av) ............................................................................. 42 3. MATERIAIS E MÉTODOS ....................................................................... 44 3.1 DISPOSITIVOS FÍSICOS ........................................................................................................ 44 3.2 DISPOSITIVOS SIMULADOS .................................................................................................. 45 4. ANÁLISE DE RESULTADOS................................................................... 48 4.1 CARACTERIZAÇÃO ELÉTRICA EXPERIMENTAL ........................................................................ 48 4.2 DISPOSITIVOS SIMULADOS ................................................................................................... 52 4.2.1 Profundidade dos eletrodos de fonte e dreno (dSD) ................................................. 58 4.2.2 Distância entre os eletrodos de fonte/ dreno e o eletrodo de porta (LGS & LGD) ...... 61 4.2.3 Material do isolante de porta e sua espessura (tox) ................................................. 66 4.2.4 Espessura da camada de barreira (tAlGaN) ............................................................... 69 4.2.5 Fração molar de alumínio em AlxGax-1N (x) ............................................................. 75 4.2.6 Comprimento do canal (Lg) ..................................................................................... 78 4.2.7 Características de saída para diferentes polarizações de porta ............................. 80 5. CONCLUSÕES ........................................................................................ 91 6. REFERÊNCIAS ....................................................................................... 94 18 1. INTRODUÇÃO Entre os anos 1920 e 1960 a sociedade passou por um evidente avanço tecnológico, o qual originou a indústria de semicondutores e modelou a microeletrônica como a conhecemos hoje. Tal avanço é devido a fatores como a idealização do transistor em 1926, a invenção e fabricação do Transistor de Efeito de Campo do tipo Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET) de 1930 a 1959, e o desenvolvimento dos primeiros circuitos integrados (CI) em 1958 (Tang, 1988; Smith et al., 1998). Antes destas invenções, os componentes que serviam como chave eletrônica eram as válvulas termiônicas, as quais apresentavam problemas regularmente e possuem grandes dimensões (Brock, 2006). O CI foi elaborado pensando na integração de componentes e funções em um único substrato, com os objetivos de simplificar a elaboração de blocos funcionais e reduzir o custo, o tamanho e o peso dos dispositivos eletrônicos (Kilby, 2000). Até os anos 1990, a eletrônica deixou de ter baixa escala de integração e passou a ter escala de integração ultra alta (ULSI), na qual é possível comportar milhões de MOSFETs em um único encapsulamento (Tang, 1988). A redução das dimensões dos transistores e o aumento concentração de componentes numa unidade de área agrava alguns efeitos indesejados, como os efeitos de auto aquecimento (SHE) e os efeitos de canal curto (SCE) (Tang, 1988; Deleonibus et al., 2006). Novas tecnologias são elaboradas para superar essas e outras limitações, e também para atender a diferentes requisitos de performance, como potências e frequências de operação cada vez mais altas (NIrmal; Ajayan, 2019). Algumas dessas novas tecnologias se focam em melhorias no transistor visando uma aplicação ou produto específicos, outras focam em novos materiais, estruturas e mecanismos. Essas novas abordagens deram origem produtos como o Transistor de Tunelamento (TFET), o SpinFET (Xiu, 2019), a tecnologia Silício Sobre Isolante (SOI) (Colinge, 2004) e suas variações, como aquela que utiliza uma fina camada de isolante, o que dá origem ao SOI de silício e isolante ultra-finos (UTBB) (Thakral et al., 2014; Deleonibus, 2015), e os transistores baseados em materiais III-V. 19 Semicondutores baseados em materiais III-V são compostos de elementos das colunas 3 e 5 da tabela periódica (Figura 1.1), dentre os quais se destacam aqueles baseados em nitretos, como os compostos binários nitreto de gálio (GaN) e nitreto de alumínio (AlN) e o composto ternário nitreto de alumínio e gálio (AlGaN) (Nirmal; Ajayan, 2019). Figura 1.1: Recorte das colunas 3 a 5 da tabela periódica. Fonte: adaptado de Holzle (2021). Os semicondutores baseados em GaN são capazes de oferecer maior variedade relacionada às bandas proibidas, Eg, e alta velocidade de saturação dos elétrons. Altos valores de Eg, por exemplo, significam alta performance em altas temperaturas e alto valor de tensão de ruptura, VBr (Nirmal; Ajayan, 2019). Esses transistores operam com altas frequências e são capazes de oferecer potências de saída na ordem de kW, como pode ser visto pelo gráfico de frequência de chaveamento versus capacidade de potência de saída na Figura 1.2, a qual também apresenta transistores baseados em carbeto de silício (SiC), transistores bipolares de porta isolada (IGBT) e MOSFETs de super junção (SJ) para comparação, e também mostra algumas das principais áreas de utilização dessas tecnologias (Onsemi, 2021). 20 Figura 1.2: Evolução dos transistores utilizados para aplicações com média e alta potência e alta frequência de chaveamento. Fonte: adaptado de Onsemi (2021). Um dos transistores baseados em materiais III-V é o Transistor de Alta Mobilidade dos Elétrons (HEMT), anunciado pela Fujitsu em 1980 (Mimura, 2018), apresentado pela Figura 1.3. O HEMT é baseado na heterojunção de materiais III-V, sua estrutura de porta é uma junção Schotky, i.e., um metal sobre um semicondutor. Devido à diferença entre Eg dos materiais da heterojunção, ocorrerá a difusão de elétrons do material com maior Eg (camada barreira) ao material com menor Eg (camada buffer), acarretando em um encurvamento na banda de condução, EC, dos semicondutores. Este encurvamento da banda cria uma fina região de poço quântico que confina elétrons próximo à interface da heterojunção, formando um gás bi-dimensional de elétrons (2DEG) (Störmer et al., 1979; Nirmal; Ajayan, 2019). Ao utilizar um metal de porta com função trabalho suficientemente alta, os elétrons do semicondutor próximos da região de contato são afastados, formando uma região de depleção, a qual, segundo Mimura (2018), é análoga ao óxido na estrutura MOS do MOSFET. 21 Figura 1.3: Seção transversal de um HEMT. Fonte: Adaptado de Nirmal & Ajayan, (2019). Por oferecer alta mobilidade de elétrons e altas taxas de transmissão, o propósito original do HEMT era a transmissão de micro-ondas via satélite. Depois das suas primeiras utilizações, foi descoberto que o HEMT também oferece baixo ruído, sendo assim, ele também foi utilizado em receptores de transmissões de broadcasting e como receptor criogênico de fracos sinais de micro-ondas (amplificador de baixo ruído) para telescópios (Mimura, 2002). Assim como toda tecnologia, o HEMT possui suas limitações, sendo seu principal problema a própria junção metal-semicondutor, a qual acarreta em uma alta corrente de fuga pela porta, Ig, na ordem de dezenas de µA/mm (Ghosh et al., 2015). Para resolver este problema, a estrutura do HEMT foi adaptada para a estrutura metal-isolante-semicondutor (MIS), ou seja, foi inserido um isolante entre o metal de porta e a heteroestrutura (Sazawa et al., 2008; Mao et al., 2010). Esta adição deu origem ao MOSHEMT, no caso de um óxido como isolante de porta, ou MISHEMT, no caso geral, apresentado na Figura 1.4. O MISHEMT combina a alta mobilidade dos elétrons proveniente do 2DEG e dos materiais III-V com a adequada isolação de porta da estrutura MOS. Em comparação com o HEMT, o MISHEMT além de ter resolvido o problema de corrente de fuga de porta (redução de 3 ordens de grandeza em Ig) (Sazawa et al., 2008; Mao et al., 2010), maior corrente de dreno (IDS) (Kordos et al., 2005), maior transcondutância (gm), menor resistência série (RSD), aumento na mobilidade efetiva dos portadores, menor densidade de armadilhas nas interfaces, menor histerese na curva de capacitância, i.e. curva C-V (Gregušová 22 et al., 2007), menor capacitância de porta e maiores frequências de transição (ou frequência de ganho unitário) (fT), e maior frequência máxima de oscilação (fmáx) (Mao et al., 2010). Figura 1.4: Seção transversal de um MISHEMT. No entanto o funcionamento deste dispositivo considerando suas múltiplas conduções e a influência de cada um na composição de corrente do dispositivo ainda não foi estudado. Neste trabalho, serão investigados os mecanismos de condução do MISHEMT, a fim de apontar a contribuição de cada uma no comportamento digital e analógico do dispositivo. 1.1 Objetivo A necessidade da caracterização de novas tecnologias foi o que motivou este trabalho. É conhecido que o MISHEMT solucionou o problema de corrente de porta do HEMT, que ele é capaz de oferecer alto ganho de tensão e também de trabalhar com frequências da ordem de centenas de GHz. Entretanto, os estudos que levam a tais resultados não fazem considerações aos mecanismos de condução do transistor e aos seus canais de condução, sendo assim é impossível endereçar os responsáveis pela característica elétrica do dispositivo. Diante disso, o objetivo do trabalho é avaliar os mecanismos de condução do MISHEMT (quais são, onde ocorrem e suas contribuições para a corrente total) para determinar o impacto de cada uma nos principais parâmetros DC (digitais e analógicos) do dispositivo. 23 Para este estudo foram usadas medidas das curvas de corrente dos transistores MOSHEMT Al2O3/AlGaN/AlN/GaN e MISHEMT Si3N4/AlGaN/AlN/GaN, fabricados no Imec/Bélgica e para análise das múltiplas conduções foram utilizadas simulações de dispositivo, utilizando-se o software Atlas da SILVACO. Por fim, o comportamento analógico também foi avaliado através dos parâmetros elétricos DC. 1.2 Estrutura do trabalho Este trabalho foi dividido em 5 capítulos. Iniciando-se no capítulo 1, com a introdução geral e apresentação do objetivo. No capítulo 2 é apresentada a revisão bibliográfica necessária para o entendimento completo do trabalho, na qual serão estudados os transistores HEMT, os transistores MOSFET, os transistores MISHEMT e as estruturas estudadas atualmente, e também os parâmetros elétricos de interesse. No capítulo 3 são apresentados os materiais e métodos utilizados, desde os transistores reais e os instrumentos utilizados para a medição, até os parâmetros físicos e modelos utilizados para a simulação do dispositivo. No capítulo 4 são apresentados os resultados relacionados aos dispositivos fabricados, aos dispositivos simulados, aos parâmetros dimensionais e estruturais estudados, e aos parâmetros elétricos DC digitais e analógicos. No capítulo 5 são apresentadas pontualmente as conclusões obtidas através da análise dos resultados. 24 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo são apresentados os conceitos fundamentais do MOSFET convencional, do HEMT, do MISHEMT, e os principais parâmetros e características conhecidas dessas tecnologias. 2.1 Transistor de Efeito de Campo do tipo Metal-Óxido-Semicondutor (MOSFET) O MOSFET é o componente eletrônico mais utilizado na microeletrônica atualmente, sua estrutura é bastante conhecida e seus modelos elétricos bem definidos. O NMOSFET modo enriquecimento apresentado pela Figura 2.1 é um transistor de canal formado por elétrons, que permite a passagem de corrente entre dreno e fonte (tipo n). Figura 2.1: Seção transversal do NMOSFET convencional. Na estrutura MOS do dispositivo da Figura 2.1, o corpo do dispositivo é um semicondutor do tipo P, ou seja, possui excesso de lacunas. Juntamente com as cargas no óxido, o excesso de lacunas causa um desalinhamento no diagrama de bandas do MOSFET. A tensão de porta, VGS, que alinha o diagrama de bandas é chamada tensão de faixa-plana, Vfb. Quando polarizado diretamente (VGS > Vfb) o capacitor MOS irá repelir as lacunas da interface óxido/ semicondutor e, ao atingir a tensão de limiar (VGS ≥ Vt) deverá atrair elétrons, que são portadores minoritários nessa estrutura, suficientes para criar uma camada de inversão de portadores (Martino et al., 2003), como mostra a Figura 2.2. A camada de inversão funciona como uma extensão das regiões N de fonte 25 e dreno e, assim, ao aplicar tensão entre fonte e dreno, VDS, haverá corrente de dreno, IDS. Ao aplicar uma tensão de porta negativa (polarização reversa) a estrutura MOS, também chamada de capacitor MOS, irá acumular lacunas na interface óxido/semicondutor. Nessa configuração o circuito entre fonte e dreno é equivalente a dois diodos em série reversamente polarizados, o qual não apresenta condução de corrente. Figura 2.2: MOSFET no regime de inversão. As curvas características do NMOSFET são apresentadas na Figura 2.3. Pela curva da corrente de dreno (IDS) em função da tensão aplicada entre a porta e a fonte (VGS) é possível notar que há condução a partir de um valor de VGS de aproximadamente Vt. Na curva da corrente de dreno em função da tensão aplicada entre o dreno e a fonte (VDS), a área sem cor se refere à região de tríodo e a área com preenchimento azul se refere à região de saturação, na qual é esperado que a corrente de dreno seja pouco dependente de VDS (Martino et al., 2003; Sedra; Smith, 2015). 26 Figura 2.3: Curvas características do NMOSFET convencional: (a) curva IDS x VGS e (b) curvas IDS x VDS para dois valores de VGS. Fonte: Adaptado de Sedra & Smith (2015). Na região de sublimiar (VGS < Vt), o principal mecanismo de condução é a difusão dos portadores. Após a tensão de limiar, a condução acontece pela deriva dos portadores. A partir deste ponto, qualquer incremento em VGS servirá para aumentar a disponibilidade de portadores no canal (Sedra; Smith, 2015). As principais equações que modelam o comportamento elétrico do NMOSFET são apresentadas pela Tabela 2.1 (Martino et al., 2003; Colinge, 2004; Sedra; Smith, 2015). Nas quais q é a carga elementar, NA é a concentração de impurezas aceitadoras do semicondutor tipo P, dmáx é a largura máxima da região de depleção, ϕF é o potencial de Fermi, Cox é a capacitância do óxido de porta por unidade de área, QSS é a densidade de cargas efetiva no óxido de porta, ϕMS é a diferença de função trabalho entre metal e semicondutor, W é a largura do canal, Lg o comprimento do canal, VDS é a tensão aplicada ao entre dreno e fonte, gm é a transcondutância, SS é a inclinação de sublimiar, k é a constante de Boltzmann, T a temperatura em Kelvin, kT/q a tensão térmica, CD a capacitância de depleção por unidade de área, Cit a capacitância por unidade de área proveniente das armadilhas de interface, Av é o ganho intrínseco de tensão, gD é a condutância de saída e VEA é o módulo da tensão Early. 27 Tabela 2.1: Principais parâmetros elétricos do MOSFET. Parâmetro Símbolo Equacionamento Equação Tensão de limiar Vt,MOS 𝑞𝑁𝐴𝑑𝑚á𝑥 𝐶𝑜𝑥 + 2𝜙𝐹 − 𝑄𝑆𝑆 𝐶𝑜𝑥 + ϕ𝑀𝑆 2.1 Corrente de dreno na região triodo IDS,MOS,tri µ𝑁,𝑀𝑂𝑆𝐶𝑜𝑥 𝑊 𝐿 [(𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡ℎ,𝑀𝑂𝑆)𝑉𝐷𝑆 − 𝑉𝐷𝑆 2 2 ] 2.2 Corrente de dreno na região de saturação IDS,MOS,sat µ𝑁,𝑀𝑂𝑆𝐶𝑜𝑥𝑊 2𝐿 (𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑡ℎ,𝑀𝑂𝑆) 2 (1 + 𝑉𝐷𝑆 𝑉𝐸𝐴 ) 2.3 Mobilidade dos elétrons em baixo campo µN,MOS 𝐿 𝑊𝐶𝑜𝑥𝑉𝐷𝑆 𝑔𝑚,𝑡𝑟𝑖𝑜𝑑𝑜 2.4 Inclinação de sublimiar SSMOS 𝑘𝑇 𝑞 𝑙𝑛(10) (1 + 𝐶𝐷 + 𝐶𝑖𝑡 𝐶𝑜𝑥 ) 2.5 Transcondutância gm 𝑑 𝐼𝐷𝑆 𝑑 𝑉𝐺𝑆 2.6 Ganho intrínseco de tensão |AvMOS| 𝑔𝑚 𝑔𝐷 2.7 Condutância de saída gD,MOS 𝐼𝐷𝑆 𝑉𝐸𝐴 2.8 2.2 Transistor de Alta Mobilidade dos Elétrons (HEMT) A evolução na área de transistores e materiais semicondutores tem o objetivo de suprir a demanda por maiores temperaturas de operação, tensão de ruptura, velocidade de operação entre outras. Da pesquisa com materiais III-V e heteroestruturas, surgiu o Transistor de Alta Mobilidade dos Elétrons (HEMT). Diferente do MOSFET, cujo canal de condução é a camada de inversão ou acumulação próxima ao isolante de porta, o HEMT possui um gás de elétrons bidimensional (2DEG) que age como canal (Mimura, 1980). Devido a isso, o HEMT oferece alta mobilidade dos elétrons e baixo ruído, o que é interessante para aplicações que exigem altíssimas estabilidade e sensibilidade, como em radiofrequências (RF) e na amplificação de sinais fracos (Nirmal; Ajayan, 2019). Materiais III-V são capazes de oferecer mobilidade elevada, maior variabilidade de Eg e menor massa efetiva dos portadores em relação ao silício, enquanto que 28 a heteroestrutura proporciona a diferença de Eg e a polarização interna, Pint, responsáveis pela formação do 2DEG na interface e sua densidade de carga (Farahmand et al., 2001). A estrutura do HEMT modo enriquecimento, apresentada pela Figura 2.4 é composta por uma heteroestrutura, e um metal de porta posicionado logo acima da camada de barreira (Mimura, 1980). O modo enriquecimento é obtido ao possuir uma fina camada de barreira juntamente com um metal de porta cuja função trabalho é maior que a função trabalho do semicondutor (Nirmal; Ajayan, 2019). É comum se referir ao HEMT pela composição de sua heteroestrutura, como AlGaAs/GaAs, ou AlGaN/GaN. Figura 2.4: Seção transversal do HEMT, destacando a junção Schottky e a região de depleção formada por ela. 2.2.1 Classificação de heteroestruturas e formação do 2DEG A heterojunção pode ser classificada em 3 tipos, dependendo da energia de suas bandas de condução, EC, e de valência, EV, como mostra a Figura 2.5, sendo a heterojunção AlGaN/GaN do tipo I (Nirmal; Ajayan, 2019). A Tabela 2.2 apresenta parâmetros de banda de energia em temperatura ambiente dos materiais utilizados neste trabalho, enquanto que a equação 2.9 apresenta o cálculo de Eg do composto ternário AlxGa1-xN em relação a fração molar de Al, x, no composto, sendo Eg,AlN a banda proibida do AlN, Eg,GaN a banda proibida do GaN e b o parâmetro de encurvamento, igual a 1,3 eV para o AlGaN a 300 K (Touati et al., 2019). 29 Tabela 2.2: Parâmetros de banda em temperatura ambiente. Material Eg (eV) ꭕ (eV) Referência GaN 3,55 3,05 Touati et al., (2019) AlN 6,08 1,01 Touati et al., (2019) 𝐸𝑔,𝐴𝑙𝑥𝐺𝑎𝑥−1𝑁 = 𝐸𝑔,𝐴𝑙𝑁𝑥 + 𝐸𝑔,𝐺𝑎𝑁(1 − 𝑥) − 𝑏𝑥(1 − 𝑥) (2.9) Figura 2.5: Classificação de heterojunções. Fonte: adaptado de Nirmal & Ajayan (2019). Ao fazer contato entre os materiais acontecerá a difusão dos portadores de carga e o alinhamento do nível de Fermi, EF. Os elétrons livres da camada barreira (maior Eg) se difundem para a camada buffer (menor Eg). Isso causa um encurvamento nas bandas e uma descontinuidade em EC. O encurvamento de EC é tal que, em uma fina região do lado da camada buffer próxima à interface, EC atinge níveis de energia menores que EF, formando um poço quântico de formato triangular. Os elétrons, tanto os disponíveis pelo material quanto os injetados pelos contatos ôhmicos, serão fortemente atraídos por este poço quântico devido ao seu baixo nível de energia, formando um gás de elétrons que tem a espessura de alguns angstroms, sendo praticamente bidimensional. Este gás recebe o nome de 2DEG, e tem a funcionalidade de canal no HEMT (Nirmal; Ajayan, 2019). A Figura 2.6 apresenta uma heterojunção do tipo I após o contato e o equilíbrio das cargas, onde ΔEC e ΔEV são as diferenças entre os níveis de energia da banda de condução e de valência, respectivamente. 30 Figura 2.6: Heterojunção tipo I após o contato e balanço de energia. Fonte: adaptado de Nirmal & Ajayan (2019). Devido à separação dos elétrons do 2DEG de seus íons originários e à distância entre os mesmos, estes elétrons proporcionam baixo choque de elétrons e, portanto, possuem alta mobilidade (Nirmal; Ajayan, 2019). 2.2.2 Polarização interna A polarização interna é composta pela soma da polarização espontânea, PSP, e da polarização piezoelétrica, PPE (Eq. 2.10) (Nirmal; Ajayan, 2019). 𝑃𝑖𝑛𝑡 = 𝑃𝑆𝑃 + 𝑃𝑃𝐸 (2.10) A polarização espontânea é originada pela estrutura cristalina do tipo wurtzita dos semicondutores baseados em materiais III-V, cuja célula unitária é apresentada pela Figura 2.7, onde A1 (material V) é um ânion e C1-4 são cátions (material III), ĉ é a direção da face da estrutura, a, c1 e c2 são parâmetros de rede. Este tipo de estrutura causa um tipo de polarização interna devido à distorção que os átomos constituintes apresentam de seu arranjo ideal. Isso causa uma assimetria na distribuição de carga na estrutura e uma diferença de potencial (ddp) é gerada sem a aplicação de potencial elétrico externo (Troy et al., 2021a) 31 Figura 2.7: Célula unitária da wurtzita. Fonte: Troy et al. (2021b) A PSP pode ser calculada a partir da equação 2.11 (Troy et al., 2021a). A Tabela 2.3 apresenta o valor de PSP de alguns materiais. 𝑃𝑆𝑃 = 𝑒∗(3𝑐2−𝑐1) 2√3𝑎²(𝑐1+𝑐2) (2.11) Tabela 2.3: Polarização espontânea de alguns materiais. Material PSP (m-2) Referência GaN -0,029 Nirmal & Ajayan, (2019) AlN -0,081 Ambacher et al. (1999) A PSP de nitretos ternários pode ser calculada a partir da equação 2.12, na qual A é o cátion, B é o ânion e x é a fração molar correspondente a AxB1-xN, e b é o parâmetro de encurvamento obtido experimentalmente (bAlGaN = 0,021 eV) (Nirmal; Ajayan, 2019). 𝑃𝑆𝑃𝐴𝐵𝑁(𝑥) = −𝑃𝑆𝑃𝐴𝑁𝑥 − 𝑃𝑆𝑃𝐵𝑁(1 − 𝑥) + 𝑏𝑥(1 − 𝑥) (2.12) Como ilustrado na Figura 2.8, a polarização piezoelétrica é originada na heterojunção pelo estresse mecânico causado pela diferença entre os parâmetros de rede na superfície de contato dos materiais que constituem a heteroestrutura, dependente da direção da estrutura cristalina da wurtzita (Asbeck et al., 1997; Ambacher et al., 1999), sendo a tensão mecânica entre os materiais AlxGax-1N e GaN compressiva (Nirmal; Ajayan, 2019). A PPE pode ser 32 calculada a partir da equação 2.13, na qual d31 é o coeficiente de tensão piezoelétrica do material da camada barreira, cij são as constantes elásticas do material da camada buffer, e εxx é a tensão mecânica na direção x (perpendicular à interface da heterojunção) (Asbeck et al., 1997). A polarização interna em um semicondutor dopado com impurezas doadoras acarreta no aparecimento de um campo elétrico interno, fazendo com que os elétrons se difundam na direção do campo e acumulem em uma determinada região, originando uma carga efetiva (Yu et al., 1997; Touati et al., 2019). Como mostra a Figura 2.9, a carga efetiva dá origem a um encurvamento no diagrama de bandas do material. Juntamente com o tipo de heteroestrutura, estes fenômenos controlam a densidade de folha, ns, no 2DEG (Nirmal; Ajayan, 2019; Touati et al., 2019). Figura 2.8: Comparação entre uma heteroestrutura formada com materiais com parâmetros de rede iguais e uma heteroestrutura formada com materiais com parâmetros de rede distintos. Fonte: adaptado de Nirmal & Ajayan (2019). 𝑃𝑃𝐸 = 2𝑑31(𝑐11 + 𝑐12 − 2𝑐13 2 𝑐33 )𝜀𝑥𝑥 (2.13) Figura 2.9: Efeito da polarização interna em uma wurtzita de nitretos III-V dopados com impurezas tipo n. Fonte: adaptado de He et al. (2015). 33 2.2.3 Características de corrente e equacionamento básico A corrente no HEMT pode ser calculada pela equação 2.14 (Nirmal; Ajayan, 2019). 𝐼𝐷𝑆,𝐻𝐸𝑀𝑇 = 𝜇(𝐸)𝑞𝑛(𝑥) 𝑑𝑉 𝑑𝑥 𝑊 (2.14) Na qual µ é a mobilidade dos elétrons, W é a largura da porta e qn(x) é a densidade de superfície na direção da corrente, dado pela equação 2.15. 𝑞𝑛(𝑥) = 𝜖1 𝑑 (𝑉𝑒𝑓𝑓 − 𝑉𝑡ℎ2) (2.15) Onde Veff é a tensão efetiva em x dada pela diferença entre a tensão de porta e a tensão em x (equação 2.16). 𝑉𝑒𝑓𝑓 = 𝑉𝐺 − 𝑉(𝑥) (2.16) A tensão de limiar do HEMT AlGaAs/GaAs pode ser calculada a partir das equações 2.17 a 2.20. 𝑉𝑡ℎ1,𝐻𝐸𝑀𝑇 = 𝑉𝑠 − ∆𝐸𝐹2 𝑞 − 𝑎(𝑑 − 𝑑0) (2.17) 𝑎 = 𝑞𝑁𝐷 𝜖1 (2.18) 𝑎𝑑0 2 = 𝑎𝑑2 + ∆𝐸𝐶−∆𝐸𝐹2−∆𝐸𝐹1 𝑞 (2.19) 𝑉𝑡ℎ2,𝐻𝐸𝑀𝑇 = 𝑉 − ∆𝐸𝐶 𝑞 − 𝐸𝐹 𝑞 − 𝑎𝑡𝑑 2 (2.20) Nas quais ΔEc é a diferença entre as energias da banda de condução dos materiais da heteroestrutura, ΔEF1 é a diferença entre a energia da banda de 34 condução do 2DEG e o nível de Fermi, ΔEF2 é a diferença entre a energia da banda de condução da parte neutra do semicondutor de maior banda proibida e o nível de Fermi, q é a carga do elétron, td é a espessura da camada de barreira. Vt1,HEMT é relacionado ao controle das cargas, e Vt2,HEMT está relacionado ao controle da porta (Nag, 2000; Nirmal; Ajayan, 2019). O ganho do HEMT AlGaN/GaN é dado pela equação 2.21, onde RDS é a resistência série, Ro é a resistência de saída, Ri é a resistência intrínseca (ou de entrada), RG é a resistência da porta e CGS é a capacitância entre porta e fonte (Nirmal; Ajayan, 2019). |𝐴𝑣,𝐻𝐸𝑀𝑇| ≅ 𝑔𝑚(𝑅𝐷𝑆//𝑅𝑜) 𝑊𝐶𝐺𝑆(𝑅𝑖+𝑅𝐺) (2.21) O HEMT modo enriquecimento foi obtido ao aumentar a função trabalho do metal através de engenharia de materiais, o que tem a tendência de afastar os elétrons do semicondutor que estão próximos à junção Schottky, criando uma região de depleção. Sendo a região ativa (camada de barreira), suficientemente fina esta depleção deverá ser capaz de cortar o canal sem a aplicação de campos elétricos externos (Mimura, 1980). Apesar disso, a estrutura metal sobre semicondutor acarreta em alta corrente de colapso pela porta, Ig (Touati et al., 2019). Quando polarizado diretamente, o principal mecanismo da condução de corrente pela porta é a emissão termiônica (TE), já quando polarizado reversamente são a emissão Poole-Frenkel (PF) e o tunelamento assistido por armadilhas (TAT). Devido a isso, o HEMT pode sofrer com grande dissipação de potência no estado desligado e com a redução da tensão de ruptura (Ghosh et al., 2015). 2.3 Transistor de Alta Mobilidade dos Elétrons do tipo Metal-Isolante- Semicondutor (MISHEMT) O MISHEMT foi apresentado por volta dos anos 2000, e possui estrutura semelhante à do HEMT, com a diferença de possuir isolante de porta (Figura 2.10) (Nirmal; Ajayan, 2019). Devido à sua heteroestrutura ocorrerá a formação 35 do 2DEG, que servirá como canal principal, logo, é semelhante ao HEMT em relação à alta mobilidade dos elétrons (Peralagu et al., 2019). Figura 2.10: MOSHEMT genérico Como visto pela Figura 2.11, a integração da estrutura MIS ao HEMT causou uma redução de corrente de fuga pela porta Ig de pelo menos duas ordens de grandeza (Ye et al., 2005; Nirmal; Ajayan, 2019). Também apresenta os benefícios das tecnologias baseadas em GaN, como alta tensão de ruptura, alta concentração de 2DEG e baixa resistência de folha. Assim como o HEMT, ele é indicado como promissor para aplicação em dispositivos portáteis e que trabalhem com altas frequências, com a diferença de proporcionar baixa corrente de porta. É um candidato para atender à crescente demanda por taxas de transmissão de informações cada vez mais altas, com alta potência de saída, alta eficiência e baixo ruído (Wu et al., 2021; Peralagu et al., 2019). Figura 2.11: Comparação entre as correntes pela porta do HEMT e do MOSHEMT. Fonte: adaptado de Nirmal & Ajayan (2019). 36 O MISHEMT básico é um dispositivo normalmente ligado visto que para 0V de tensão de porta o 2DEG já está formado. Muitas abordagens para melhorar seu desempenho têm sido propostas, como a tecnologia de porta rebaixada para tornar o dispositivo normalmente desligado (Chang et al., 2010; Freedsman et al., 2014), a utilização de isolantes de alta constante dielétrica (high-k) (Nirmal; Ajayan, 2019), e a inserção da camada de AlN (Chang et al., 2010; Hu et al., 2018). Para aumentar a performance do MISHEMT foi inserido uma fina camada de AlN acima do buffer de GaN e abaixo da barreira de AlGaN (Figura 2.12). O AlN possui alto valor de Eg, e por isso intensifica a formação do 2DEG e melhora sua condutividade, além de aumentar VBr e IDS e melhorar gm (Figura 2.13) (Chang et al., 2010; Hu et al., 2018). O diagrama de bandas da nova estrutura é apresentado na Figura 2.14. Figura 2.12: Seção transversal de um MISHEMT Si3N4/AlGaN/AlN/GaN. Figura 2.13: Comparação de IDS e gm entre um MOSHEMT sem a camada AlN e um com a camada. Fonte: adaptado de Hu et al. (2018). 37 Figura 2.14: Diagrama de bandas e densidade de elétrons do MISHEMT Al0,83Ga0,17N/AlN/GaN. Fonte: adaptado de Lachab et al. (2014) Ao longo do trabalho serão estudados MOSHEMTs com óxido de alumínio (Al2O3) como isolante de porta, e MISHEMTs com nitreto de silício (Si3N4) como isolante de porta. A Tabela 2.4 apresenta parâmetros básicos desses isolantes. Tabela 2.4: Propriedades básicas dos isolantes. Fonte: Adaptado de Nirmal & Ajayan (2019). Isolante εr Eg (eV) Estrutura cristalina Al2O3 9 8,7 Amorfa Si3N4 7 5,1 Amorfa Grande parte das características elétricas do MISHEMT são estudadas utilizando como referência um HEMT de estrutura semelhante, devido à condução principal ocorrer pelo 2DEG. Quando comparado ao HEMT, foram relatados resultados sobre o aumento de corrente de dreno, a redução da capacitância e uma redução na degradação da transcondutância (Ye et al., 2005; Sazawa et al., 2008) e um aumento da mobilidade (Gregusova et al., 2007). Além disso, diversas pesquisas recentes focam em avaliar o comportamento elétrico do MISHEMT alterando a forma da heteroestrutura, o isolante de porta e a inserção de diferentes camadas de semicondutores. 38 Contudo, há pouco relato acerca dos mecanismos de condução do MISHEMT. Para a realização deste estudo em questão, é necessária a análise sistemática das curvas características e a extração de alguns parâmetros elétricos e figuras de mérito que indiquem como é a condução de corrente no dispositivo, para então relacioná-los com o comportamento elétrico digital e analógico do mesmo. 2.4 Parâmetros Elétricos Básicos O comportamento de um transistor pode ser parcialmente avaliado através dos parâmetros elétricos básicos relacionados às suas curvas características. Da curva IDS x VGS é possível extrair, por exemplo, a tensão de limiar (Vt), a inclinação de sublimiar (SS), e a transcondutância (gm), e da curva IDS x VDS a tensão Early (VEA), a condutância de saída (gD), e o ganho intrínseco de tensão, (Av). 2.4.1 Tensão de limiar (Vt) A tensão de limiar é a tensão aplicada entre porta e fonte que faz com que o dispositivo se encontre no limiar entre ligado (VGS > |Vt|) e desligado (VGS < |Vt|). A tensão de limiar pode ser estimada ou extraída de diversas formas, uma delas é a partir da análise do diagrama de bandas da estrutura de porta do transistor (Martino et al., 2003). Para as tecnologias mais conhecidas são elaboradas equações que sumarizam os principais parâmetros da tecnologia, como as equações 2.1 para o MOSFET e 2.17 a 2.20 para o HEMT AlGaAs/GaAs. Também é possível extrair Vt a partir da curva IDS x VGS, utilizando o método da segunda derivada de IDS x VGS, na qual, comumente, o máximo pico corresponde à Vt (Figura 2.15A) (Terao et al., 1991 apud Martino et al., 2003). Para corroborar, foi tomada a terceira derivada de IDS x VGS, na qual Vt corresponde ao ponto onde a curva cruza o valor zero com coeficiente angular negativo naquela região (Figura 2.15B). 39 0 B d I2 D S /d V G S 2 A 0 d I3 D S /d V G S 3 VGS (V) Vt Figura 2.15: (A) Método da segunda derivada para extração de Vt de uma curva IDS x VGS genérica. (B) Derivada terceira de IDS x VGS. 2.4.2 Inclinação da região de sublimiar (SS) Também chamada de inclinação de sublimiar, ela indica a velocidade em que um dispositivo é capaz de trocar do estado ligado para o desligado e vice- versa. O resultado diz quantos volts são necessários para elevar em uma década o nível de corrente, sendo medido normalmente em mV/dec, quanto menor, melhor, mais rápido é o chaveamento do transistor. Na região de sublimiar a corrente tem um comportamento exponencial, o que indica a dependência do mecanismo de difusão, já que este é dependente do gradiente da concentração de portadores. É possível extrair a SS graficamente tomando o ponto mínimo do inverso da derivada de log10(IDS) x VGS (Figura 2.16), o que está de acordo com a equação 2.22. 𝑆𝑆 = 𝑑𝑉𝐺𝑆 𝑑𝑙𝑜𝑔(𝐼𝐷𝑆) (2.22) 40 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 50 100 150 200 250 300 IDS dVGS/ dlog(IDS) d V G S / d lo g (I D S ) (m V /d e c ) VGS (V) SS = 69 mV/dec 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 I D S ( A ) VGS (V) Figura 2.16: Gráfico em escala logarítmica de IDS x VGS e do inverso da derivada de log10(IDS) x VGS na região de sublimiar de um MOSFET convencional. A inclinação de sublimiar do MOSFET pode ser calculada utilizando a equação 2.5, cujo limite teórico, à temperatura ambiente, é próximo a 60 mV/dec. 2.4.3 Transcondutância (gm) A transcondutância é o parâmetro que indica a efetividade do controle da corrente IDS pela tensão aplicada na porta VGS (Colinge, 1988; Nirmal; Ajayan, 2019). Pode ser obtida através da derivação da curva IDS x VGS de baixo campo, conforme a equação 2.23. 𝑔𝑚 = 𝜕𝐼𝐷𝑆 𝜕𝑉𝐺𝑆 (2.23) Para o MOSFET, derivando a equação 2.2 e de acordo com a equação 2.23, é obtida a equação 2.6 e demonstrada pela Figura 2.17. 41 0 g m ( S ) VGS (V) gm,máx Figura 2.17: Transcondutância em função da tensão aplicada à porta do transistor. 2.4.4 Tensão Early (VEA) e condutância de saída (gD) A tensão Early é um parâmetro que indica a característica de resistência de saída do transistor. Ela está diretamente ligada ao ganho do transistor e ao comportamento analógico do dispositivo (Joseph et al, 1997; Valle et al., 2010). Nos MOSFETs o efeito Early se deve à modulação do comprimento de canal. Em VDS = (VGS – Vt) ocorre o pinçamento do canal (pinchoff), que é o estrangulamento da região de inversão que acontece entre dreno e canal na superfície do silício. Ao aumentar VDS para valores acima de (VGS – Vt), este estrangulamento vai se deslocando para mais próxima do terminal de fonte, aumentando a resistência entre fonte e dreno (Colinge, 2006; Valle et al., 2010; Sedra; Smith, 2015). A tensão Early pode ser extraída através da extrapolação da região de saturação da curva IDS x VDS até o ponto que cruza o eixo das abscissas, conforme mostra a Figura 2.18. Também pode ser calculada através da equação 2.24. Onde gD,sat é a condutância de saída na saturação, que, naturalmente, é o inverso da resistência de saída. Este parâmetro também é um indicativo da qualidade do dispositivo para circuitos analógicos e indica a dependência de IDS,sat com o campo elétrico proveniente de VDS (Colinge, 2006; Sedra; Smith, 2015). É esperado que seja independente. O ideal é que VEA seja infinito, e para 42 isso é preciso que gD seja zero (que a resistência de saída seja infinita). A condutância de saída pode ser calculada pela equação 2.25. Figura 2.18: Método gráfico para a extração da tensão Early. Fonte: adaptado de Sedra & Smith (2015). 𝑉𝐸𝐴 ≅ 𝐼𝐷𝑆,𝑠𝑎𝑡 𝑔𝐷 (2.24) 𝑔𝐷 ≡ [ 𝜕𝐼𝐷𝑆 𝜕𝑉𝐷𝑆 ] 𝑉𝐺𝑆=𝑐𝑡𝑒 (2.25) 2.4.5 Ganho intrínseco de tensão (Av) O ganho intrínseco de tensão de um transistor, dado pela relação entre a tensão de saída (VDS) e a de entrada (VGS), como na equação 2.26. Para o MOSFET, a equação 2.26 torna-se a equação 2.7, e para o HEMT a equação 2.21. |Av| = ∆𝑉𝑜𝑢𝑡 ∆𝑉𝑖𝑛 = 𝑔𝑚 𝑔𝐷 (2.26) Para o MOSFET, substituindo a equação 2.8 na equação 2.26, é obtida a equação 2.27. 43 |Av| ≅ 𝑔𝑚 𝐼𝐷𝑆 𝑉𝐸𝐴 (2.27) Na qual a relação gm/IDS é chamada de eficiência do transistor. 44 3. MATERIAIS E MÉTODOS Neste capítulo os dispositivos físicos e os simulados são apresentados em detalhes, assim como a metodologia e os equipamentos utilizados para as medidas experimentais. A partir das curvas de corrente serão detalhados os métodos utilizados para a extração dos parâmetros e resultados que posteriormente serão analisados. Para extrair gD e VEA foram utilizadas curvas IDS x VDS com para 3 valores de VGS, correspondentes às sobretensões (VGT = VGS – Vt), de 0,35 V, 1,85 V, e 3,35 V (a motivação da escolha desses valores será esclarecida no próximo capítulo). Para extrair IDS,sat e gm,sat foi uma polarização de dreno de 5 V para os dispositivos físicos e de 6 V para os dispositivos simulados. Os valores de VDS foram escolhidos visando a região das curvas onde há uma variação mais linear de IDS conforme VDS. 3.1 Dispositivos Físicos Os dispositivos medidos foram fabricados pelo Imec em seu laboratório na Bélgica. São eles 1 MOSHEMT 10nm-Al2O3/ 10nm-AlGaN/ 1nm-AlN/ 300um- GaN, e 1 MISHEMT 2nm-Si3N4/ 10nm-AlGaN/ 1nm-AlN/ 300µm-GaN, ambos com Lg = 400 nm e W = 10 µm. Esses dispositivos e suas curvas de corrente foram utilizados como referência ao longo de todo o trabalho. As medidas experimentais foram normalizadas por unidade de largura em micrometros, ou seja, foram divididas por 10. As medições de corrente foram realizadas utilizando o Analisador de Parâmetros de Dispositivos Semicondutores Keysight Agilent B1500. Para as curvas IDS x VGS foram utilizados um passo de 25 mV para VG com VDS = 50 mV (baixo campo) e um passo de 10 mV com VDS = 5 V (alto campo). Para as curvas IDS x VDS, o passo foi de 10 mV e VG assumiu 3 valores VGS = [-4,11; -3,61; 3,11], correspondentes a VGT = [0,35; 1,85; 3,35] V. 45 3.2 Dispositivos Simulados Foi elaborado um código para simulações utilizando o Atlas da Silvaco que modela um MISHEMT de parâmetros e materiais ajustáveis. O dispositivo simulado é apresentado pela Figura 3.1, a qual apresenta as variáveis dimensionais na forma de seus símbolos, sendo Lg o comprimento da porta, dSD a profundidade dos eletrodos de fonte e dreno, LGS & LGD a distância entre os eletrodos de fonte/dreno e o eletrodo de porta, tox a espessura do isolante de porta, e tAlGaN a espessura da camada de barreira AlGaN. Além destas, foram variados também a fração molar de alumínio no material AlGaN e o material do isolante de porta. Figura 3.1: MISHEMT simulado. O MISHEMT simulado utilizado como referência possui heteroestrutura 2nm-Si3N4/ 13nm-Al0,25Ga0,75N/ 1nm-AlN/ 300µm-GaN, com dopagem das regiões de underlap tipo n de 1017 cm-3, L de 400 nm, W = 1 µm, LGS e LGD de 50 nm, com os eletrodos de fonte e dreno tocando a camada de AlN (Figura 3.1). A dopagem das regiões de underlap dopadas é limitada pela largura do óxido de porta, a qual excede a largura de porta em 10 nm de cada lado. O comprimento total do transistor, Ltransistor, pode ser calculado pela equação 3.1. 𝐿𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 = 𝐿𝑔 + 𝐿𝐺𝐷 + 𝐿𝐺𝑆 + 2𝐿𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠 (3.1) 46 Sendo Leletrodos o comprimento dos eletrodos de fonte e dreno. Sendo LGD mantido igual a LGS ao decorrer de todo o trabalho, a equação 3.1 se torna a equação 3.2. 𝐿𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 = 𝐿𝑔 + 2𝐿𝐺𝐷 + 2𝐿𝑒𝑙𝑒𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠 (3.1) A variação da profundidade dos eletrodos de fonte e dreno, dSD, faz com que os mesmos “perfurem” o dispositivo e alcancem as diferentes camadas da heteroestrutura, como mostrado na Figura 3.2. A variação de LGS & LGD altera o posicionamento dos eletrodos de fonte e dreno, o que deve afetar a resistência entre fonte e dreno. O material do isolante de porta, tox e tAlGaN afetam a facilidade que o campo elétrico proveniente da porta encontra em se aprofundar na heteroestrutura. O parâmetro Lg altera a área da região de depleção, e x altera as propriedades da camada de barreira AlGaN entre as de um material mais isolante (AlN para x = 100%) e as de um material mais condutor (GaN para x = 0%). As variáveis receberam os seguintes valores: dSD = [AlGaN; AlN; GaN], Lg = [200; 400; 600] nm, LGS & LGD = [50; 500; 1000] nm, tox = [2; 5; 10] nm, tAlGaN = [5; 8; 10] nm, x = [0,25; 0,30; 0,35] e o material do isolante de porta foi alterado entre Al2O3 e Si3N4. Figura 3.2: Demonstração de estruturas com diferentes profundidades dos eletrodos de fonte e dreno, dSD. 47 O modelos matemáticos utilizados nas simulações foram FERMI-DIRAC para estatística de portadores, Schokley-Read-Hall (SRH) para processo de recombinação, LATTICE.TEMPERATURE para transferência de calor, POLARIZATION + CALC.STRAIN para polarização interna dos nintretos de gálio, FMCT.N para a mobilidade de baixo campo em nitretos de gálio a depender da concentração de alumínio (x) em AlxGax-1N e da temperatura, e GANSAT para mobilidade de alto campo em nitretos de gálio a depender da temperatura e campo elétrico (Silvaco, 2007). Para as medições IDS x VGS e IDS x VDS foi utilizado um passo de 5 mV. Para avaliar a formação dos possíveis canais de corrente foram extraídos os diagramas de bandas e de concentração de elétrons ao longo da profundidade do dispositivo. A avaliação da influência de cada canal nas características de entrada do MISHEMT, foi realizada através da extração das curvas IDS x VGS para diversas configurações dos parâmetros estudados, também foram extraídas as curvas de gm, de IDS’’ (derivada 2ª da curva), e SS (ponto mínimo do inverso da derivada 1ª de log10(IDS) x VGS), das quais são possíveis ser extraídos os parâmetros DC digitais Vt, SS e gm. Por fim, para avaliar as características de saída do MISHEMT, foram extraídas as curvas IDS x VDS para configurações específicas das variáveis estudadas, das quais foram extraídos os parâmetros DC analógicos gD, VEA e Av. 48 4. ANÁLISE DE RESULTADOS Na relação de resultados obtidos existem aqueles referentes ao comportamento digital do transistor, baseados na análise das curvas IDS x VGS de baixo e alto campo, e aqueles referentes ao comportamento analógico, que são baseados na análise de curvas IDS x VDS com polarizações de porta específicas. 4.1 Caracterização elétrica experimental Os dispositivos fabricados são um MOSHEMT com Al2O3 como óxido de porta e tox = 10 nm, e um MISHEMT com Si3N4 como isolante de porta e tox = 2 nm. As medições de corrente dos dispositivos fabricados foram obtidas utilizando um Keysight Agilent B1500. O gráfico da Figura 4.1 apresenta as curvas de transferência (VDS = 50 mV) em escalas linear e semilog de ambos os dispositivos. -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0 10 20 30 VDS = 50 mV Al2O3, tox = 10 nm Si3N4, tox = 2 nm I D S ( m A /m m ) VGS (V) 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 I D S ( A /m m ) Figura 4.1: Curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) medida em escalas linear e semilog dos dispositivos fabricados estudados. SS = 64,4 mV/dec SS = 229,8 mV/dec 49 As curvas mostram que o MOSHEMT possui nível de corrente levemente maior que o MISHEMT, uma menor inclinação de sublimiar (SSMOSHEMT << SSMISHEMT) e menor tensão de limiar (mais negativa). A Figura 4.2 apresenta o gráfico de transcondutância dos dispositivos fabricados, e a Figura 4.3, o gráfico da segunda derivada de IDS x VGS suavizado por filtro Savitzky-Golay para a extração de Vt (método da segunda derivada). -7 -6 -5 -4 -3 -2 0 5 10 15 20 25 VDS = 50 mV Al2O3, tox = 10 nm Si3N4, tox = 2 nm g m ( m S /m m ) VGS (V) Figura 4.2: Gráfico da transcondutância dos dispositivos fabricados estudados. -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 -2x10-5 0 2x10-5 4x10-5 VDS = 50 mV Al2O3, tox = 10 nm Si3N4, tox = 2 nm d 2 I D S /d V G S 2 s u a v iz a d o VGS (V) VGS = -6,57 VGS = -4,75 Figura 4.3: Gráfico da segunda derivada de IDS x VGS suavizado dos dispositivos fabricados estudados. 50 Nas curvas de gm de baixo campo é possível notar uma suave mudança na inclinação de gm (destacadas pelas linhas tracejadas na Figura 4.4), o que sugere condução de corrente por dois canais distintos que disparam em momentos também distintos. -7,0 -6,8 -6,6 -6,4 -6,2 -6,0 -5,8 -5,6 0 5 10 15 20 VDS = 50 mV g m ( m S /m m ) VGS (V) MOSHEMT tox = 10 nm Figura 4.4: Dupla inclinação na curva de gm, sugerindo dupla condução. A Figura 4.5 apresenta a curva IDS x VDS do MISHEMT (Si3N4, tox = 2 nm) para VGS = [-4,40; -2,90; -1,40] V correspondentes a VGT = [0,35; 1,85; 3,35] V, enquanto que a Figura 4.6 apresenta a curva IDS x VGS com VDS = 5 V e sua derivada. 51 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 I D S ( m A ) VDS (V) VGS = -4,4 V VGS = -2,9 V VGS = -1,4 V MISHEMT tox = 2 nm Figura 4.5: Curvas IDS x VDS para 3 valores de VGS, normalizadas, do MISHEMT com Si3N4 de espessura 2 nm como isolante de porta. -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 IDS,sat gm,sat g m ,s a t (m S ) VGS (V) -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 I D S ,s a t ( m A ) VGS (V) MISHEMT tox = 2 nm VDS = 5 V Figura 4.6: Curva IDS x VGS e gm,sat para VDS = 5 V, normalizadas, do MISHEMT com Si3N4 de espessura 2 nm como isolante de porta. A Tabela 4.1 apresenta os resultados dos parâmetros analógicos estudados, dos quais Av foi calculado utilizando a Equação 2.7. 52 Tabela 4.1: Resultados dos parâmetros analógicos do MISHEMT com Si3N4 de 2 nm de espessura como isolante de porta para três polarizações de porta para VDS = 5 V. VGS (V) IDS,sat (mA) gm,sat (mS) gD (uS) VEA (V) Av (dB) -4,4 0,037 0,207 1,55 17,4 42,5 -2,9 0,667 0,469 7,35 50,6 36,1 -1,4 1,304 0,363 16,50 36,7 26,8 4.2 Dispositivos simulados Para melhor entender como e por que acontece a dupla inclinação em gm, primeiramente foi simulado o MOSHEMT com a mesma estrutura e mesmas dimensões do experimental, i.e., 10 nm-Al2O3/ 10 nm-AlGaN/ 1 nm-AlN/ 300 um- GaN, com Lg = 400 nm, e com W = 1 um, já que as medidas experimentais foram normalizadas. Além das dimensões apresentadas, o MOSHEMT simulado escolhido como referência das simulações possui LGD = LGS = 50 nm e os eletrodos de fonte e dreno tocando a camada AlN (dSD = AlN), como mostrado na Figura 4.7. As curvas IDS x VGS (VDS = 50 mV) e gm do dispositivo simulado são apresentadas pela Figura 4.8. Figura 4.7: MOSHEMT referência simulado. 53 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 0 20 40 60 80 VDS = 50 mV I D S ( m A ) VGS (V) IDS gm 0 5 10 15 g m ( m S ) Figura 4.8: Curvas IDS x VGS (VDS = 50 mV) e gm do dispositivo referência simulado. É possível perceber que na curva gm simulada também aparecem duas inclinações, as quais foram destacadas pelas linhas tracejadas. Prosseguindo na investigação da dupla inclinação em gm e verificando a possibilidade de múltiplos canais na estrutura, foram analisados os diagramas de banda e de concentração de elétrons ao longo da profundidade do MOSHEMT. Os diagramas foram extraídos por meio de um corte na parte central da estrutura de porta do dispositivo, como mostrado na Figura 4.9. Os diagramas extraídos são apresentados pela Figura 4.10. Figura 4.9: Corte no centro da estrutura que indica a posição da extração de EC e concentração de elétrons. 54 1018 1019 1020 C o n c . E lé t. ( c m -3 ) GaNAlGaNAl2O3 VGS = 0 V AlN Porta -9 -6 -3 0 3 Banda de condução Banda de valência 0 10 20 30 0 1 A B E n e rg ia ( e V ) E n e rg ia ( e V ) Profundidade (nm) VGS = 0 V VDS = 0 V C Figura 4.10: (A) Concentração de elétrons, (B) diagrama de bandas e (C) aproximação do diagrama de bandas, todos em relação à profundidade do dispositivo simulado para uma polarização de VGS = 0 V e VDS = 0 V. De acordo com os diagramas da Figura 4.10 há acúmulo de elétrons em 3 regiões, as quais podem servir como diferentes canais de corrente. Essas regiões são a 1ª interface (óxido de porta/ AlGaN), próxima à 2ª interface (AlGaN/ AlN), e a 3ª interface (AlN/ GaN). O forte acúmulo de portadores próximo à 2ª interface e na 3ª interface se devem à polarização interna em wurtzitas de GaN, enquanto que na 1ª interface o acúmulo de elétrons é mais fraco. Diante disso, foram analisados os diagramas da energia da banda de condução e de concentração de elétrons aplicando diferentes tensões de porta. O valores para VGS foram selecionadas de acordo com os gráficos de corrente e transcondutância e utilizando o método da segunda derivada (Figura 4.11), com os critérios de: o dispositivo estar em estado desligado com VGS = [-5,50 V; -5,00 V; -4,50 V]; o dispositivo estar na região onde gm apresenta a primeira inclinação, que coincide com o primeiro pico na curva da segunda derivada de IDS x VGS, com VGS = -3,20 V; o dispositivo estar na região onde gm apresenta um segundo valor de inclinação, que coincide com o segundo pico na curva da segunda derivada de IDS x VGS, com VGS = -1,30 V; o dispositivo apresentar gm,máx com 55 VGS = -1,00 V; e o dispositivo estar em estado ligado com VGS = 1,00 V. Os diagramas de energia da banda de condução obtidos são apresentados pela Figura 4.12, enquanto que os de concentração de elétrons são apresentados pela Figura 4.13. -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 10-17 10-14 10-11 10-8 10-5 I D S ( A ) VGS (V) 0 1E-5 g m ( S ) 0 1E-5 d 2 I D S /d V G S 2 Figura 4.11: Gráficos utilizados como critério para seleção dos valores de VGS para investigação dos diagramas de EC e de concentração de elétrons. 56 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 0 1 2 3 E c ( e V ) Profundidade (nm) VGS = -5.5 V VGS = -5.0 V VGS = -4.5 V VGS = -3.2 V VGS = -1.3 V VGS = -1.0 V VGS = 1.0 V AlGaN AlN GaN VDS = 0 V Figura 4.12: Diagrama da energia da banda de condução versus a profundidade do MOSHEMT simulado com diferentes tensões de porta. 10 12 14 16 18 20 22 24 26 10-48 10-38 10-28 10-18 10-8 102 1012 1022 1032 10 12 14 16 18 20 22 24 1014 1016 1018 1020 (c m -3 ) (nm) AlGaN AlN GaN VGS = -5,5 V VGS = -5,0 V VGS = -4,5 V VGS = -3,2 V VGS = -1,3 V VGS = -1,0 V VGS = 1,0 V C o n c e n tr a ç ã o d e E lé tr o n s ( c m -3 ) Profundidade (nm) AlGaN GaNAlN VDS = 0 V Figura 4.13: Diagrama da concentração de elétrons versus a profundidade do MOSHEMT simulado com diferentes tensões de porta. Ao analisar os diagramas das Figuras 4.12 e 4.13 em ordem crescente de VGS, se nota que os elétrons se acumulam primeiramente na 3ª interface, região cuja a mínima região de depleção já permite a passagem de corrente pelo 2DEG, 57 seguido pelo acúmulo próximo à 2ª interface quando VGS é suficiente para reduzir ainda mais a depleção causada pela tensão de porta. Por último os elétrons tendem a se acumular próximo à 1ª interface, ao mesmo tempo que se distribuem cada vez mais por toda a extensão da camada de barreira AlGaN, o que significa um aumento na espessura efetiva do canal. O acúmulo de elétrons na 3ª interface é um 2DEG, pois ocorre o encurvamento na energia da banda de condução nessa região, e a concentração de elétrons atinge um valor máximo e tende a se estabilizar. Na 2ª interface o acúmulo de elétrons tem a mesma característica e comportamento do anterior (é um 2DEG, atinge um valor máximo de concentração e estabiliza), mas é mais influenciado por VGS. Por fim, o acúmulo de elétrons na 1ª interface é fortemente influenciado por VGS e segue o mecanismo de condução do MOSFET. Essa dependência mais forte ou mais fraca de VGS varia conforme a distância entre o metal de porta e os diferentes canais, e também devido à polarização interna. O efeito de campo é responsável pelo acúmulo de elétrons nas interfaces e formação dos canais da estrutura, sendo que cada canal surge para diferentes valores de VGS devido à sua distância do metal de porta. Sendo assim, cada parte das curvas relacionadas à curva IDS x VGS será relacionada ao acúmulo de elétrons em uma das 3 interfaces, e os parâmetros elétricos extraídos ou calculados em cada parte da curva serão denominados numericamente conforme a formação do canal em determinada interface. Dessa forma, será utilizado, por exemplo, gm3 para a parte da curva da transcondutância onde o canal na 3ª interface está formado ou em processo de formação, gm2 para a parte onde o canal na 2ª interface está se formando, e gm1 o mesmo para o canal na 1ª interface. Quando o canal na 1ª interface está se formando, os canais na 2ª e 3ª interfaces já estão formados, por isso, apesar do parâmetro gm1 estar relacionado à formação do canal na 1ª interface, não significa que ele está relacionado apenas à condução pela 1ª interface. Também serão denominadas tensões de limiar conforme o acúmulo de elétrons em dada interface: Vt1 para a 1ª interface, Vt2 para a 2ª interface e Vt3 para a 3ª interface, sendo Vt3 < Vt2 < Vt1. Para o dispositivo referência simulado (com os eletrodos de fonte e dreno sobre o AlN, com Lg = 400 nm e LGS & LGD = 50 nm), Vt1 = -1,0 V, Vt2 = -3,2 V e Vt3 = -4,5 V. 58 Para investigar como cada um desses acúmulos de elétrons atuam como canal e quanto influenciam na corrente total, foi utilizada uma metodologia de proximidade entre os eletrodos de fonte e dreno e esses possíveis canais: foram variadas as distâncias horizontal e vertical entre os eletrodos de fonte/ dreno e as regiões de forte acúmulo de elétrons. A distância horizontal variou entre: os eletrodos tocando superficialmente a camada AlGaN (dSD = AlGaN); os eletrodos tocando superficialmente a camada AlN (dSD = AlN); e os eletrodos tocando superficialmente a camada GaN (dSD = GaN). Como o comprimento de canal foi mantido constante em 400 nm, a distância vertical foi alterada variando apenas LGS, que assumiu os valores de 50 nm, 500 nm e 1000 nm. 4.2.1 Profundidade dos eletrodos de fonte e dreno (dSD) Primeiramente foi investigada a variação da profundidade dos eletrodos de fonte e dreno em relação às camadas dos materiais para MOSHEMTs mantendo constantes o comprimento de canal em 400nm e LGS e LGD, em 50 nm. Na Figura 4.14 são apresentados os gráficos de corrente em triodo (VDS = 50 mV), e na Figura 4.15 são apresentados os gráficos da respectiva transcondutância. -6 -4 -2 0 2 4 6 8 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 dSD = AlGaN dSD = AlN dSD = GaN I D S ( m A ) VGS (V) VDS = 50 mV 10-13 10-12 10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 I D S ( A ) Figura 4.14: Gráficos da corrente de dreno em função de VGS de MOSHEMTs com diferentes profundidades de eletrodo e com LGS = LGS = 50 nm. 59 -6 -4 -2 0 2 4 0 10 20 30 40 50 VDS = 50 mV dSD = AlGaN dSD = AlN dSD = GaN g m ( m S ) VGS (V) Figura 4.15: Gráficos de transcondutância de MOSHEMTs com diferentes profundidades de eletrodo e com LGS = LGS = 50 nm. O MOSHEMT com dSD = AlGaN apresenta a menor corrente entre os três devido à maior resistência vista pela corrente até os eletrodos de fonte e dreno. Comparando-o com o MOSHEMT com dSD = AlN, seus níveis de corrente e gm são próximos, suas características de corrente são semelhantes, o que pode ser explicado por toda a camada de barreira AlGaN já ser naturalmente “N” e, portanto, apresentar baixa resistência. A diferença entre os níveis de corrente e gm destes dois casos é causada por uma pequena variação da resistência vista pelo 2DEG próximo à 2ª interface e os eletrodos de fonte e dreno, sendo que esta resistência é maior para o MOSHEMT com o eletrodo de fonte e dreno no topo da camada AlGaN (dSD = AlGaN). Quando o MOSHEMT com dSD atingindo a camada GaN é avaliado, maior corrente e um gm mais alto e para VGS mais negativo são observados. A maior corrente e o gm mais alto ocorrem devido aos eletrodos de fonte e dreno ultrapassarem a camada AlN habilitando a corrente proveniente do 2DEG da 3ª interface, que é mais profundo e possui alta mobilidade de portadores nesta região. Para os outros 2 casos a corrente da 3ªinterface não é considerada visto que a camada AlN é vista como alta resistência devido à sua larga banda proibida (Eg). O Vt mais negativo (Vt3) ocorre pois como a camada GaN está mais distante da porta do transistor uma depleção mais profunda e portanto um VGS mais negativo é exigido para cortar o 2DEG formado no GaN. 60 Nos casos em que dSD não atingem GaN, são notáveis duas inclinações em gm, uma relacionada à condução pela 2ª interface, outra à condução pela 1ª interface. No caso em que dSD = GaN, é possível perceber o aparecimento de um novo pico e uma nova inclinação, os quais são relacionados ao 2DEG da 3ª interface. Então, neste caso a condução ocorre pela camada de barreira AlGaN e pela camada de buffer GaN. Os vários canais e várias conduções resultam em 3 diferentes patamares na curva de extração da inclinação de sublimiar (SS) que podem ser observados na Figura 4.16. A primeira inclinação está relacionada ao 2DEG como canal, que apresenta o menor valor e é considerado como o SS efetivo do transistor. Mas cada vez que uma interface vai passar a conduzir, é possível observar um novo patamar na curva. Pode-se concluir que o 2DEG 3ª interface atua como canal principal para qualquer valor de VGS. Já a outras duas inclinações, que aparecem apenas para os MOSHEMTs com dSD ≠ GaN, estão relacionadas ao 2DEG da 2ª interface, à alteração da distribuição dos elétrons na camada de barreira, e à interação entre os canais das 1ª e 2ª interfaces. 10-12 10-9 10-6 B dSD = AlGaN dSD = AlN dSD = GaN I D S ( A ) VD = 50 mV A -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 0 1000 2000 3000 4000 5000 d V G S /d lo g (I D S ) (m V /d e v ) VGS (V) 407.95 2894.2177.06 Figura 4.16: (A) Curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) em escala semilog e (B) gráfico de dVGS/dlog(IDS) dos MOSHEMTs com diferentes dSD. 61 No gráfico da segunda derivada de IDS x VGS (Figura 4.17), é possível observar um primeiro pico alto e dominante quando a 3ªinterface está ativa e para os dispositivos com dSD ≠ GaN dois picos, relacionados à Vt2 e Vt1, são facilmente detectáveis. Para o dispositivo com dSD = GaN, os picos relacionados a Vt3 e Vt1 são bastante evidentes, enquanto que o pico relacionado a Vt2 não apresenta valor evidente. -6 -4 -2 0 2 -1,5E-5 -1,0E-5 -5,0E-6 0,0 5,0E-6 1,0E-5 1,5E-5 2,0E-5 2,5E-5 dSD = AlGaN dSD = AlN dSD = GaN d 2 I D S /d V G S 2 VGS (V) VDS = 50 mV Figura 4.17: Gráfico da segunda derivada da curva IDS x VGS dos MOSHEMTs com diferentes dSD. 4.2.2 Distância entre os eletrodos de fonte/ dreno e o eletrodo de porta (LGS & LGD) Investigou-se também a variação da distância horizontal entre os eletrodos de dreno/ fonte e os canais, sendo que tal variação se deu pela alteração das distâncias entre os eletrodos de fonte/ dreno e o eletrodo de porta, mantendo sempre as duas distâncias iguais entre si (LGD = LGS). Para o MOSHEMT com LGS & LGD = 50 nm, sendo Lg = 400 nm e Leletrodos = 50 nm, tem- se um Ltransistor = 600 nm; para LGS & LGD = 500 nm, um Ltransistor = 1500 nm; e para LGS & LGD = 1000 nm, um Ltransistor = 2500 nm. Na verdade, tal variação de LGS e LGD não modifica a distância entre os 2DEGs e os eletrodos de fonte/ dreno, pois o 2DEG se estende por todo o 62 comprimento do transistor. Sendo assim, apenas a distância entre o canal da 1ª interface e os eletrodos é afetada. A Figura 4.18 apresenta as curvas IDS x VGS (VDS = 50 mV) e gm dos MOSHEMTs com dSD ≠ GaN e diferentes LGS e LGD, enquanto que a Figura 4.19 apresenta as curvas IDS x VGS (VDS = 50 mV) e gm dos MOSHEMTs com dSD = GaN. -6 -4 -2 0 2 4 6 0 20 40 60 80 LGD & LGS = 50 nm LGD & LGS = 500 nm LGD & LGS = 1000 nm dSD = AlGaN dSD = AlN I D S ( m A ) VGS (V) VDS = 50 mV 0 5 10 15 g m ( m S ) Figura 4.18: Curvas IDS x VGS (VDS = 50 mV) e gm de baixo campo dos MOSHEMTs com dSD ≠ GaN e diferentes LGS & LGD. Avaliando em ordem crescente de VGS, nos MOSHEMT com dSD ≠ GaN (Figura 4.18) é possível notar que quanto maior é LGS e LGD, menor é gm1, indicando menor influência da 1ª interface na condução devido a maior resistência série entre a região abaixo da porta e os eletrodos de fonte e dreno. O gm2 é menos afetado pois existe 2DEG ao longo de toda a segunda interface e a Influência é apenas do L total. Além disso, para os maiores valores de LGD e LGS, se nota que o comportamento elétrico é praticamente igual entre estes dois dispositivos (dSD ≠ GaN). Isso acontece pois quando LGD e LGS são muito extensos, a condução pela 2ª interface se torna predominante e a condução pela 1ª interface se torna praticamente nula, então a alteração da resistência vertical conforme a posição dos eletrodos dentro da camada AlGaN, i.e., dSD = AlGaN e dSD = AlN, afeta muito pouco a condução de corrente. 63 -6 -4 -2 0 2 4 6 0 50 100 150 200 250 LGS & LGD = 50 nm LGS & LGD = 500 nm LGS & LGD = 1000 nm I D S ( m A ) VGS (V) -20 -10 0 10 20 30 40 dSD = GaN g m ( m S ) VDS = 50 mV Figura 4.19: Curvas IDS x VGS (VDS = 50 mV) e gm de baixo campo dos MOSHEMTs com dSD = GaN e diferentes LGS & LGD. No MOSHEMT com dSD = GaN, a variação de LGD e LGS influencia fortemente gm1, influencia menos gm2, e influencia pouco gm3, indicando que a condução pela 3ª interface é predominante. Também é perceptível um “afinamento” na curva gm devido à redução de gm2 conforme LGS & LGD é aumentado. Em todos os casos, gm3 é predominante, indicando que o principal canal para condução é o 2DEG da 3ª interface. Em todos os 3 casos de dSD, os MOSHEMTs com LGS & LGD = 50 nm, a condução pela 1ª interface influencia fortemente no comportamento elétrico, devido à proximidade entre os eletrodos de fonte e dreno e essa região. Para os maiores valores de LGS & LGD, pouca ou nenhuma influência da condução pela 1ª interface é notada. Esta influência também pode ser observada pelo gráfico do inverso da derivada da curva IDS x VGS em semilog, apresentado pela Figura 4.20. Os picos relacionados à Vt1 e Vt2 do dispositivo com dSD = AlN são bem definidos e sofrem pouca alteração em seu valor, mas é notável a falta de influência de Vt1 para LGS e LGD maiores. Para o MOSHEMT com dSD = GaN, o primeiro pico relacionado à Vt3 é proeminente para qualquer LGS & LGD, Vt1 é evidente apenas para LGS & LGD = 50 nm (eletrodos mais próximos da 1ª 64 interface), e Vt2 é pouco evidente para altos valores de LGS & LGD e não evidente para LGS & LGD = 50 nm. A influência da condução pela 1ª interface no comportamento da condução pela 2ª interface é atenuada para altos valores de LGS & LGD. -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 LGD & LGS = 50 nm LGD & LGS = 500 nm LGD & LGS = 1000 nm dSD = AlGaN dSD = AlN dSD = GaN d V G S /d lo g (I D S ) (m V /d e c ) VGS (V) VDS = 50 mV Figura 4.20: Gráfico de dVGS/dlog(IDS) para MOSHEMTs com diferentes dSD e com LGS & LGD = [50 nm; 500 nm; 1000 nm] Por último, para investigar a influência de LGS e LGD em Vt, foi feito o método da segunda derivada, o qual gerou o gráfico da Figura 4.21 para o MOSHEMT com dSD = AlN, e da Figura 4.22 para MOSHEMT com dSD = GaN. -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 -5,0E-6 0,0 5,0E-6 1,0E-5 VDS = 50 mV LGD & LGS = 50 nm LGD & LGS = 500 nm LGD & LGS = 1000 nm d 2 I D S /d V G S 2 VGS (V) dSD = AlN Figura 4.21: Gráfico da segunda derivada da curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) dos MOSHEMTs com dSD = AlN e diferentes LGS & LGD 65 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 -4,0E-5 -2,0E-5 0,0 2,0E-5 4,0E-5 VDS = 50 mV dSD = GaN LGD & LGS = 50 nm LGD & LGS = 500 nm LGD & LGS = 1000 nm d 2 I D S /d V G S 2 VGS (V) Figura 4.22: Gráfico da segunda derivada da curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) dos MOSHEMTs com dSD = GaN e diferentes LGS & LGD Devido à semelhança entre as características elétricas dos MOSHEMTs com dSD = AlGaN e dSD = AlN, o dispositivo com dSD = AlGaN não será mais simulado. Por fim, foi realizada a comparação entre as curvas de transcondutância e da segunda derivada de IDS x VGS dos dispositivos MOSHEMT com dSD = [AlN, GaN] e LGS = [50 nm, 1000 nm], apresentada pelas Figuras 4.23 e 4.24. -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 VDS = 50 mV LGS = 50 nm LGS = 1000 nm dSD = AlN dSD = GaN g m ( m S ) VGS (V) 3a interface 2a interface 1a interface Figura 4.23: Comparação entre as curvas de transcondutância de MISHEMTs com diferentes dSD e LGS & LGD. 66 -6 -5 -4 -3 -2 -1 -4,0E-5 -2,0E-5 0,0 2,0E-5 4,0E-5 6,0E-5 8,0E-5 1,0E-4 1,2E-4 1,4E-4 1,6E-4 VDS = 50 mV d 2 I D S /d V G S 2 VGS (V) LGS = 50 nm LGS = 1000 nm dSD = AlN dSD = GaN 3a interface 2a interface 1a interface Figura 4.24: Comparação entre as curvas da segunda derivada de IDS x VGS de MISHEMTs com diferentes dSD e LGS & LGD. Ao comparar as curvas, foi possível perceber que o MISHEMT com dSD = AlN e LGS = 50 nm prioriza a condução pelas 1ª e 2ª interfaces, o MISHEMT com dSD = AlN e LGS = 1000 nm prioriza a condução pela 2ª interface, o MISHEMT com dSD = GaN e LGS = 1000 nm prioriza a condução pelas 2ª e 3ª interfaces, e o MISHEMT com dSD = GaN e LGS = 50 nm prioriza a condução por todas as interfaces. Para o estudo dos próximos parâmetros, então, serão avaliados os dispositivos com dSD = [AlN; GaN], LGS & LGD = [50 nm, 1000 nm], já que cada caso utiliza diferentes interfaces para a condução. O próximo parâmetro a ser estudado foi o material do isolante de porta e sua espessura. 4.2.3 Material do isolante de porta e sua espessura (tox) Os materiais de isolante de porta utilizados nos dispositivos experimentais foram o óxido de alumínio (Al2O3) no MOSHEMT com tox = 10 nm, e o nitreto de silício (Si3N4) no MISHEMT com tox = 2 nm. Para as simulações os mesmos materiais foram utilizados, e tox variada entre os valores de 2 nm, 5 nm e 10 nm 67 para ambos. Além disso, o dSD foi mantido constante em AlN, com LGS & LGD = 50 nm. Cada material possui uma permissividade, a qual está diretamente relacionada à corrente total, já que Cox = εox/tox. Os valores de permissividade relativa dos materiais utilizados nas simulações são εAl2O3 = 9,3, e εSi3N4 = 7,5. As Figuras 4.25 e 4.26 apresentam a curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) e de inclinação de sublimiar dos MOSHEMTs e MISHEMTs, ambos com tox = [2 nm, 5 nm, 10 nm]. -6 -4 -2 0 2 4 6 8 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 VDS = 50 mV I D S ( m A ) VGS (V) Al2O3 Si3N4 tox = 2 nm tox = 5 nm tox = 10 nm Figura 4.25: Curva IDS x VGS (VDS = 50 mV) dos MISHEMTs com diferentes materiais de isolante de porta e diferentes tox. A redução da permissividade (Al2O3 → Si3N4) causa redução do nível de IDS,máx, provavelmente devido à contribuição da 1ª interface, um leve aumento em SS, e torna Vt ligeiramente mais negativo enquanto que desloca a curva de corrente para a esquerda, o que se deve à maior dificuldade do campo elétrico atravessar o isolante com menor permissividade. No gráfico de inclinação de sublimiar, as linhas verticais tracejadas indicam a região de sublimiar. 68 10-15 10-13 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 I D S ( A ) Al2O3 Si3N4 tox = 2 nm tox = 5 nm tox = 10 nm -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 -300 0 300 600 900 1200 1500 VDS = 50 mV d V G S /d lo g (I D S ) (m V /d e c ) VGS (V) 82.08 72.55 80.93 73.66 68.53 89.65 A B Figura 4.26: (A) Curva IDS x VGS (VDS