Mecanismos de decomposição e otimização de mobilidade em HEMTs AlGaN/GaN de canal ultrafino com base no modelo AlN +

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No campo da eletrônica de potência de alta tensão, os HEMTs baseados em GaN alcançaram aplicação comercial na classe de 650V, mas a expansão para 1200V e além continua sendo um desafio formidável. A capacidade de bloqueio de tensão das estruturas convencionais de GaN-on-Si é limitada pela compensação entre a espessura da camada tampão, o arco do wafer e a qualidade do cristal. Embora o SiC ofereça um bandgap mais amplo, seu custo impede a penetração no mercado. Neste contexto, o material de banda ultralarga AlN (bandgap 6,2eV) tornou-se um candidato ideal para dispositivos de energia de próxima geração devido ao seu campo de ruptura teórico tão alto quanto 8,4MV/cm e condutividade térmica de 2,9W/(cm·K).

No entanto, simplesmente usar AlN como camada tampão não resolve diretamente todos os problemas. A estratégia do canal ultrafino surgiu: comprimir a espessura do canal de GaN para menos de 10 nm aproxima o gás de elétrons bidimensional (2DEG) do buffer de AlN, explorando assim a alta resistência à ruptura do AlN para suprimir caminhos de vazamento no substrato e no buffer. Abid et al. (2019) fabricaram com sucesso estruturas HEMT em modelos AlN/safira apresentando um canal GaN fino de 8 nm e uma camada de barreira Al₀.₉Ga₀.₁N. O dispositivo exibiu uma tensão de ruptura lateral superior a 10kV (o limite do sistema de medição) em um espaçamento de contato de 96μm, e um campo de ruptura de até 5MV/cm em um espaçamento curto (2μm) - um valor que ultrapassa em muito o limite teórico de GaN.

Fig. 1 Esquema transversal do canal ultrafino Al₀.₉Ga₀.₁N/GaN HEMT (esquerda) e imagem TEM de alta resolução das camadas ativas cultivadas com MBE (direita)

No entanto, esta estrutura apresenta uma contradição significativa: a tensão de ruptura ultra-alta coexiste com a baixa mobilidade. As medições de Hall mostraram uma mobilidade 2DEG de apenas 340cm²/(V·s), muito abaixo do nível típico de 1500–2000cm²/(V·s) em HEMTs GaN convencionais. Este gargalo de desempenho restringe a aplicação do dispositivo em domínios de alta frequência e representa um obstáculo importante para a adoção prática da tecnologia de canal ultrafino. Bassaler et al. (2022) conduziram pesquisas sistemáticas de física de materiais sobre esta questão, usando espectroscopia transitória de nível profundo (DLTS) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para descobrir as origens físicas da baixa mobilidade.

1. Avanço no desempenho de ruptura: vantagem de bloqueio de tensão do buffer AlN

Abid et al. (2019) compararam duas estruturas: a já mencionada estrutura de canal fino de 8 nm e uma estrutura de canal espesso de 240 nm (camada de barreira com 29% de teor de Al). Testes de ruptura lateral foram realizados em solução Fluorinert para evitar arcos de ar, revelando diferenças dramáticas.

Com um espaçamento curto de 2μm, a estrutura de canal fino exibiu uma tensão de ruptura ligeiramente acima de 1000V, correspondendo a um campo de ruptura superior a 5MV/cm, enquanto a estrutura de canal grosso atingiu apenas 270V (<2MV/cm). Essa diferença demonstra diretamente a necessidade do canal ultrafino – quando a espessura do canal de GaN é comprimida para menos de 10 nm, a região de depleção pode se estender para o buffer de AlN, tornando a capacidade de bloqueio de tensão do dispositivo dominada pelo amplo bandgap de AlN. Até onde os autores sabem, este experimento foi a primeira demonstração de alta tensão usando um canal fino de GaN em um HEMT baseado em AlN.

Com um espaçamento longo de 96μm, a estrutura de canal fino atingiu uma tensão de ruptura de 10kV (limite do sistema) com uma corrente de fuga de apenas 300nA/mm, indicando que a heteroestrutura não sofreu condução parasita e que foi realizada depleção total do canal até o substrato de safira.

Fig. 2 Comparação da tensão de ruptura lateral entre estruturas de canal fino e grosso com espaçamento de contato de 96μm à temperatura ambiente

Notavelmente, o campo de ruptura diminuiu com o aumento da distância de contato para ambas as estruturas. Abid et al. atribuiu isso aos estados de interface de regeneração ativados sob campos elétricos extremamente altos. Isto sugere que mesmo com modelos de AlN de alta qualidade, os defeitos interfaciais introduzidos durante o recrescimento do MBE ainda manifestam sua influência sob condições de alta tensão e longa distância.

2. Origens Físicas da Baixa Mobilidade: Interfaces, Deslocamentos e Armadilhas

2.1 Defeitos Estruturais: das Luxações às Etapas Interfaciais

Análise TEM por Bassaler et al. (2022) nas mesmas estruturas revelaram pistas importantes. Quando visto ao longo do plano [11-20], o buffer de AlN continha numerosos deslocamentos de rosqueamento ao longo da direção de crescimento, e a interface do canal de GaN exibia rugosidade pronunciada em forma de degrau neste plano. Em contraste, ao longo do plano [10-10], a morfologia do canal foi mais regular com significativamente menos passos. Esta morfologia interfacial anisotrópica afeta diretamente o comportamento de transporte 2DEG.

Figura 3 (a) Imagens HAADF-STEM da seção transversal da amostra ao longo dos planos [11-20] e [10-10]; (b) Vistas ampliadas da região do canal, mostrando etapas distintas nas interfaces AlN/GaN e Al₀.₉Ga₀.₁N/GaN ao longo do plano [11-20] (marcado por setas), enquanto o plano [10-10] é relativamente suave. A inserção mostra os poucos passos ainda observáveis ​​ao longo do plano [10-10].

As curvas de balanço de XRD mostraram que as larguras totais na metade do máximo das reflexões de AlN (002) e (101) estavam abaixo de 350 segundos de arco e 500 segundos de arco, respectivamente, correspondendo a uma densidade de deslocamento abaixo de 10⁸cm⁻². A camada de GaN, com apenas 8 nm de espessura, forneceu um sinal de difração muito fraco para determinar com precisão a largura do seu pico, mas os pesquisadores inferiram que alguns deslocamentos se estendem para o canal fino. Essas discordâncias estão diretamente relacionadas à incompatibilidade de rede de 13% na interface AlN/Al₂O₃.

Mais importante ainda, existe uma correlação quantitativa entre etapas interfaciais e anisotropia de mobilidade. Bassaler et al. mediu a mobilidade das barras Hall ao longo de diferentes direções cristalográficas; os resultados estão resumidos na Tabela 1.

Tabela 1 Resistência da folha e mobilidade eletrônica da estrutura de canal fino ao longo de diferentes direções cristalográficas (dados de Bassaler et al., 2022, Tabela II)

Direção cristalográfica	Resistência da folha (Ω/□)	Mobilidade (cm²/(V·s))
[-12-10]	2419±114	136±14
[01-10]	2280±97	144 ± 14
[11-20]	1795±70	183±17
[10-10]	1683±73	195±19

A mobilidade é maior na direção [10-10] (195cm²/(V·s)) e mais baixa na direção [-12-10] (136cm²/(V·s)). Comparando com a distribuição de passos observada pelo TEM na Figura 3, o plano [11-20] é precisamente a direção com os passos mais densos, enquanto o plano perpendicular [10-10] tem o menor número de passos. Esta correspondência prova conclusivamente que a dispersão superficial causada pela rugosidade interfacial é uma das principais causas da degradação da mobilidade.

2.2 Armadilhas de Nível Profundo: Mecanismos de Distribuição de Energia e Dispersão de Defeitos Eletroativos

Além dos defeitos estruturais, as armadilhas eletroativas que capturam e liberam portadores são igualmente críticas. Usando DLTS, Bassaler et al. detectou cinco armadilhas de elétrons (E1 – E5) no canal GaN, com energias de ativação variando de 0,14 a 0,64 eV. Variando o viés reverso (Vᵣ = –5,4V, –6,0V, –6,6V), os pesquisadores distinguiram armadilhas ativadas sob diferentes condições de esgotamento: em Vᵣ = –5,4V (2DEG não totalmente esgotado), apenas as armadilhas rasas E1 e E2 foram detectadas; em Vᵣ = –6,0V (o canal começa a esgotar), as armadilhas profundas E3 – E5 também apareceram.

Figura 4 (a) Espectros DLTS normalizados sob diferentes polarizações reversas (–5,4V, –6,0V, –6,6V); (b) Capacitância em função da temperatura

Análise das origens das armadilhas:

• E1 (0,14eV):Associado a vagas de nitrogênio (Vɴ). Armadilhas semelhantes foram observadas por Polenta et al. em GaN irradiado.
• E2 (0,24eV):Atribuído aos complexos Vɴ – VGa.
• E4 (0,46 eV):Possivelmente originando-se de vacâncias de nitrogênio ou dos próprios deslocamentos.
• E5 (0,64eV):Um típico centro relacionado à vaga de gálio (VGa).

Vale a pena enfatizar que, como as bandas de condução da barreira AlGaN e do buffer AlN estão muito acima das do GaN, o nível de Fermi permanece a mais de 1 eV de distância das bandas de condução desses materiais de banda larga. Consequentemente, todas as armadilhas detectadas estão localizadas dentro do canal GaN ou em suas interfaces. Bassaler et al. propuseram que as etapas interfaciais perturbam a periodicidade da rede, aumentando a probabilidade de formação de vagas. Essas armadilhas eletroativas dispersam ainda mais os elétrons 2DEG e, juntamente com a rugosidade interfacial, degradam a mobilidade.

3. Do MBE ao MOCVD: caminhos de otimização para o crescimento de materiais

A chave para resolver a limitação da mobilidade reside na otimização dos processos de crescimento para reduzir as densidades de defeitos interfaciais e as concentrações de armadilhas. Sena et al. (2025) cresceram sistematicamente heterojunções duplas AlₓGa₁₋ₓN/AlN em modelos AlN/safira por MOCVD, com composição de Al x variando de 0 a 0,70. A camada tampão de AlN resultante exibiu excelente qualidade: uma curva de balanço simétrica XRD (002) FWHM de apenas 15 segundos de arco, melhor do que a maioria dos substratos monocristalinos de AlN a granel, correspondendo a uma densidade de deslocamento de parafuso tão baixa quanto 4,8 × 10⁵cm⁻²; a microscopia de força atômica forneceu uma rugosidade superficial (RMS) de 0,22nm em uma área de 5×5μm², alcançando planicidade em nível atômico.

Fig. 5 Caracterização da qualidade de uma camada tampão de AlN com 1 μm de espessura em um substrato de safira: (a) Imagem de microscopia óptica; (b) imagem AFM (5×5μm²); (c) (002) curva de balanço simétrica; (d) (103) curva de balanço assimétrica.

Sena et al. (2025) revelaram ainda a influência sistemática da composição de Al no canal AlGaN nas propriedades de transporte 2DEG. Quando x = 0 (canal GaN puro), a densidade 2DEG atingiu 3,49×10¹³cm⁻²; à medida que x aumentou, a densidade 2DEG diminuiu lentamente, mas para a maioria das composições permaneceu acima de 10¹³cm⁻². A mobilidade Hall diminuiu com o aumento da composição de Al, consistente com as expectativas teóricas baseadas na dispersão da liga e no aumento da massa efetiva. Notavelmente, a mobilidade das amostras cultivadas com MOCVD relatada por Sena et al. foi significativamente superior ao das amostras MBE com composições comparáveis, atribuída à menor rugosidade interfacial e ao menor número de impurezas residuais alcançadas pelo processo MOCVD.

O mapeamento espacial recíproco de XRD mostrou ainda que em x = 0,70, o canal AlGaN estava totalmente tenso em relação ao buffer AlN (grau de relaxamento R = 0%); à medida que x diminuiu, o grau de relaxamento aumentou gradualmente, atingindo 41, 1% em x = 0. Isso indica que a tensão de incompatibilidade de rede em canais com baixa composição de Al é parcialmente aliviada pelo deslizamento de discordância, mas também pode introduzir defeitos adicionais.

4. Conclusões e Perspectivas

Com base nos estudos acima, as seguintes conclusões principais podem ser tiradas:

(1) A estratégia de canal ultrafino melhora significativamente o desempenho de detalhamento. HEMTs AlGaN/GaN com um canal GaN sub-10 nm em modelos AlN/safira alcançaram uma tensão de ruptura lateral> 10kV e um campo de ruptura de 5MV/cm, demonstrando que o buffer AlN pode efetivamente superar o gargalo de tensão do GaN-on-Si convencional.

(2) A baixa mobilidade surge de efeitos sinérgicos de múltiplos defeitos. Espalhamento de superfície devido a etapas interfaciais, centros de espalhamento fornecidos por deslocamentos roscados e armadilhas de nível profundo relacionadas a vagas de nitrogênio/gálio (E1 – E5 detectadas por DLTS, com E4 associado a deslocamentos e E5 com VGa) inibem coletivamente o transporte 2DEG.

(3) O MOCVD oferece vantagens em engenharia de interface. Em comparação com o MBE, as heterojunções AlN / AlGaN cultivadas em MOCVD exibem menor rugosidade interfacial e maior mobilidade, fornecendo uma rota viável para otimizar a qualidade do material.

Portanto, alcançar avanços de desempenho em dispositivos de canais ultrafinos requer otimização sinérgica multidimensional: (a) redução da densidade de deslocamento em modelos de AlN (por exemplo, por recozimento em alta temperatura ou crescimento excessivo lateral epitaxial); (b) otimização dos parâmetros de crescimento MBE/MOCVD para suprimir etapas interfaciais; (c) emprego de passivação in-situ ou compensação de dopagem para neutralizar armadilhas de vagas; (d) equilibrar a composição e mobilidade do Al para encontrar a janela ideal entre a tensão de ruptura e a perda de condução. Além disso, Abid et al. observaram que uma camada de passivação SiN não otimizada limitou a tensão de ruptura no nível do transistor a 600 V, indicando que o processamento do dispositivo também deve ser melhorado simultaneamente.

HEMTs AlGaN/GaN de canal ultrafino exemplificam um caminho tecnológico de “quebrar os limites dos dispositivos por meio da inovação de materiais”. Embora o atual problema de mobilidade restrinja as aplicações de alta frequência, o aprofundamento da compreensão da física da interface e a otimização dos processos de crescimento permitirão que esta tecnologia ocupe uma posição significativa no mercado de alta tensão >1200V.

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Referências:

1. Abid, I., Kabouche, R., Bougerol, C., Pernot, J., Masante, C., Comyn, R.,… & Medjdoub, F. (2019). Alta tensão de ruptura lateral em transistores de alta mobilidade eletrônica AlGaN/GaN de canal fino em modelos AlN/Sapphire. Micromáquinas, 10(10), 690.
2. Bassaler, J., Comyn, R., Bougerol, C., Cordier, Y., Medjdoub, F., & Ferrandis, P. (2022). Propriedades de transporte de um canal fino de GaN formado em um Al0. 9Ga0. Heteroestrutura 1N/GaN cultivada em modelo AlN/safira.Revista de Física Aplicada,131(12).
3. Sena, H., Lawton Siukola Thurston, M., Meng, C., & Chowdhury, S. (2025). Investigação sistemática de canais de AlGaN em substratos de AlN/safira usando deposição de vapor químico metal-orgânico (MOCVD): Rumo a maior cristalinidade e menor rugosidade superficial. Materiais APL, 13(5).