ミリ波帯(Wバンド:75–110GHz;Eバンド:60–90GHz)では、GaNベースのHEMTの周波数指標(ftおよびfmₐₓ)は、ゲート長(Lg)とゲート間チャネル距離(dge)のアスペクト比に大きく依存します。Lgがサブミクロン、さらには数百ナノメートルの寸法に縮小されるため、ショートチャネル効果の抑制には同時にdgeの低減が必要であり、それには超薄型障壁構造が必要です。

従来のAlGaN/GaNヘテロ接合はこのシナリオで本質的な物理的制約に直面します。障壁の厚さが10nmを下回ると、金属圧電分極誘起による二次元電子ガス(2DEG)シート密度が指数関数的に低下し、深刻なチャネル伝導度劣化を引き起こします。対照的に、In組成が約17%〜18%のInAlN三元合金はGaNと格子マッチしており、その自発分極および圧電分極は同厚のAlGaNよりも著しく強力です。この独自の特性により、InAlN/GaN HEMT ヘテロ接合は、5〜6nmの超薄障壁があっても高い2DEG密度(>10¹³cm⁻²)を維持でき、ミリ波デバイスのスケーリングボトルネックを克服する理想的な材料プラットフォームを提供します。

Power Wafertech Groupは、金属有機化学気相増着(MOCVD)技術を用いて、シリコン(Si)、サファイア、シリコンカーバイド(SiC)基板上にInAlN/GaNヘテロ接合エピタキシャルウェハを開発しました。格子マッチング組成から高インコンテンツ配合まで、異なる周波数や電力の適用シナリオに合わせたカスタマイズ設計をサポートしています。サファイアベースのInAlN/GaN HEMTエピタキシャル構造を具体例として挙げると:

1. サファイアベースのInAlN/GaN HEMTエピタクシャル仕様

同じ厚さのAlGaN障壁と比較して、InAlN/GaNウェハは同じゲート制御距離下でチャネル電荷密度の向上が優れており、これがトランスコンダクタンスおよびカットオフ周波数ポテンシャルの向上に直接つながります。

2. InAlNエピタクシーにおける位相分離抑制およびひずみ工学

InAlNのMOCVD成長は熱力学的混溶性ギャップの限界に直面しており、Inリッチ領域では本質的に相分離傾向が見られます(xIn> 0.5)。二次期降水を避け、障壁層の構造的完全性を確保するために、私たちはプロセススキームに以下のコア対策を統合しています。

(1) 成長温度と源流の連合制御:成長温度ウィンドウ(~706°C)とTMIn/TMAlのモルフロー比を正確に設定することで、In組成は格子マッチング範囲内に固定され、不安定な混融性ギャップ領域を熱力学的に回避します。XRD(0002)ロッキング曲線では二次相回折ピークは観測されず、単相エピタキシーが確認されました。

(2) 基質配向工学:軸上および4°軸外のサファイア基質の効果を検証しました。軸上基質は全体のスレッド転位密度を低減するのに有利であり、軸外基材はN極性面でのヒロック形成を抑制できます。

(3) 現場Si₃N₄パッシベーション層の統合:約5nmの厚さを持つオプションの現場Si₃N₄誘電層を積分可能です。この薄い層はMISゲート誘電体または表面パッシベーション層として機能し、表面状態を効果的に固定しRF損失を低減します。非常に薄い厚さのため、この誘電層は選択的乾燥エッチングで除去したり、オーム接触形成のために直接浸透させたりできるため、さまざまな顧客の製造プロセスルートに適合しています。

3. InAlN/GaN HEMTのデバイスレベル性能検証

Sakharovaら(2018)は、InAlN/AlN/GaNのサファイア上エピウェハーに基づくHEMTデバイス(Lg = 0.5μm、Wg = 200μm、ソースドレイン間隔=4μm)を製作しました。パルスI-V(パルス幅250ns)および直流試験の結果は以下の通りです。

最大飽和ドレイン電流(Id、max):≥1.27A/mm

ピークトランスコンダクタンス(gm、max):≥450mS/mm

閾値電圧一様性:ウェハー内のVth標準偏差

小信号RF試験(Vds = 15–20V、Id = 0.1A/mm)では、同じ構造のAlGaN基準サンプルと比較して、InAlN/GaNサンプルのfmaxはIn 組成の導入により大幅に増加することが示されています。この性能優位性は、ゲートアスペクト比の向上と超薄障壁下でのチャネル閉じ込めの強化に起因しています。さらに、現地Si₃N₄ゲート誘電体を用いたMIS-HEMTバージョンは、閾値電圧に3〜4Vのプラスシフトを提供し、エンハンスメントモードデバイス設計の柔軟性を提供します。

当社は、R&D規模の小ロットから生産規模のエンジニアリングロットまで幅広いエピタキシャル供給能力を提供しており、顧客のデバイスの目標周波数帯域や電力レベルに基づいた柔軟なパラメータ調整が可能です。カスタムエピタクシャルソリューションについては、当社の技術営業チームまでお問い合わせください。

参考文献:

1. ハゼネール、S.、ブラホ、M.、ドブロチカ、E.、グクマン、F.、クチェラ、M.、ナーダジディ、P.、...およびクズミーク、J.(2023年)。金属有機化学気相沈着によるN極In-Rich InAlNの成長。『半導体加工における材料科学』、156巻、107290頁。

2. サハロフ, A. V., ルンディン, W. V., ザヴァリン, E. E., ザクハイム, D. A., ウソフ, S. O., ツァツルニコフ, A. F., ... & ヴェリコフスキー, L. E.(2018).HEMT向けの超薄型バリアInAlN/GaNヘテロ構造。『半導体』、52巻(14号)、1843-1845年。