GaN-HFETs mit hohen Strömen und hoher Durchbruchspannung mit Si-dotierter AlGaN-Barriere unter dem Kanal
Abb. 1 : DC I-V Kennlinie für HFET mit (C, Linie) und ohne (A, gepunktet) dotierter, rückseitiger AlGaN-Barriere. Oben: eingeschaltet; unten: ausgeschaltet
Zur Leistungsumwandlung z.B. in E-Autos oder Photovoltaik-Anlagen werden Transistoren mit geringem Einschaltwiderstand und hoher Spannungsfestigkeit benötigt. GaN-HFETs eignen sich dafür besonders. Um die Durchbruchspannung weiter zu erhöhen, werden Fe- oder C-dotierte GaN-Puffer eingesetzt. Aufgrund der größeren Barriere, im Vergleich zu nicht dotierten Pufferschichten, sinkt die Konzentration der Ladungsträger im Kanal, dasselbe gilt für AlGaN-Puffer, die zusätzlich den Wärmewiderstand erhöhen.
Die sinkende Konzentration der Ladungsträger im Kanal kann durch n-Dotierung einer dünnen (10 nm) AlGaN-Barriere zwischen C-dotiertem Puffer und Kanalschicht kompensiert werden. Die zusätzlichen Elektronen aus dieser Schicht führen zu fast dem doppelten Strom Ids,max im Vergleich zu einem ansonsten gleichen Aufbau des Transistors ohne AlGaN-Spenderschicht. Siehe Abb.1 oben, A: nur C-dotierter GaN-Buffer; C: mit Si-dotierter AlGaN-Barriere. Im eingeschalteten Zustand sinkt demzufolge der Widerstand. Die Spannungsfestigkeit wird jedoch nicht beeinträchtigt bzw. sogar leicht verbessert. Dies ist an den Leckströmen im abgeschnürten Zustand zu sehen, die bis zur Messgrenze von 1000 V gering bleiben (Abb.1 unten).
Eine dünne n-dotierte AlGaN-Schicht zwischen der hochisolierenden AlGaN-Pufferschicht und dem nicht-dotierten Kanal führt damit zu einem deutlich besseren Verhältnis von Einschaltwiderstand zu Durchbruchsspannung von GaN-HFETs für Anwendungen als Leistungsschalter.
Publikationen:
[1] E. Bahat-Treidel, F. Brunner, O. Hilt, E. Cho, J. Würfl, G. Tränkle, "AlGaN/GaN/GaN:C Back-Barrier HFETs With Breakdown Voltage of Over 1 kV and Low RON × A" Trans. Elect. Dev. IEEE, vol. 57, no. 11, pp. 3050-3058, (2010).
[2] E. Cho, F. Brunner, R. Zhytnytska, P. Kotara, J. Würfl, M. Weyers, "Enhancement of channel conductivity in AlGaN/GaN heterostructure field effect transistors by AlGaN:Si back barrier" accepted for publication Appl. Phys. Lett. (2011)
[3] Patentanmeldung DE 10 2011 004 080.3, Feb. 2011
FBH-Forschung: 18.08.2011