DOI: https://doi.org/10.1063/5.0310464
تاريخ النشر: 2026-01-26
المؤلف: Minho Kim وآخرون
الموضوع الرئيسي: أجهزة ومواد أشباه الموصلات القائمة على GaN
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثيرات سمك عازل النيتريد الألمنيوم (AlN) على الخصائص الهيكلية والكهربائية والحرارية لترانزستورات GaN/AlGaN عالية التنقل الإلكتروني (HEMTs) المصنعة على ركائز كربيد السيليكون شبه العازلة (SiC) باستخدام ترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني. تشير تحليلات حيود الأشعة السينية والميكروسكوب الذري إلى أن طبقات AlN الرقيقة (120 نانومتر) تظهر إجهاد ضغط وسطح أملس، بينما تظهر العوازل ذات الطبقة الواحدة الأكثر سمكًا (550 نانومتر) إجهاد شد وزيادة في خشونة السطح. بالمقابل، فإن هياكل العوازل متعددة الطبقات حتى 2 ميكرومتر تخفف بشكل فعال من الإجهاد مع الحفاظ على سلامة السطح.
تكشف قياسات تأثير هول عند درجات حرارة منخفضة أن تنقل الإلكترونات مرتبط عكسيًا بخشونة الواجهة، حيث تم تسجيل أعلى تنقل في تكوين العازل الرقيق AlN. بالإضافة إلى ذلك، تظهر قياسات الانعكاسية الحرارية العابرة أن الموصلية الحرارية (ThC) لعازل AlN تزداد مع السمك، حيث تصل إلى 188 واط/م·ك عند 300 كلفن للعازل بسمك 2 ميكرومتر، وهو ما يعادل تقريبًا 60% من قيمة ThC لعازل AlN الكتلي. تؤكد هذه النتائج الحاجة الملحة لتحسين تصميم عازل AlN لتحقيق توازن بين تخفيف الإجهاد، وإدارة الحرارة، ونقل الحاملات، مما يعزز أداء HEMTs المعتمدة على GaN.
DOI: https://doi.org/10.1063/5.0310464
Publication Date: 2026-01-26
Author(s): Minho Kim et al.
Primary Topic: GaN-based semiconductor devices and materials
Overview
This study examines the effects of aluminum nitride (AlN) buffer thickness on the structural, electrical, and thermal properties of AlGaN/GaN high-electron mobility transistors (HEMTs) fabricated on semi-insulating silicon carbide (SiC) substrates using metal-organic chemical vapor deposition. X-ray diffraction and atomic force microscopy analyses indicate that thin AlN layers (120 nm) exhibit compressive strain and smooth surfaces, whereas thicker single-layer buffers (550 nm) show tensile strain and increased surface roughness. In contrast, multi-layer buffer structures up to 2 µm effectively alleviate strain while maintaining surface integrity.
Low-temperature Hall effect measurements reveal that electron mobility is inversely related to interface roughness, with the highest mobility recorded in the thin AlN buffer configuration. Additionally, transient thermoreflectance measurements demonstrate that the thermal conductivity (ThC) of the AlN buffer increases with thickness, reaching 188 W/m·K at 300 K for the 2 µm buffer, which is approximately 60% of the bulk AlN ThC value. These findings underscore the critical need to optimize AlN buffer design to achieve a balance between strain relaxation, thermal management, and carrier transport, thereby enhancing the performance of GaN-based HEMTs.