Improvement of AlGaN∕GaN high electron mobility transistor structures by in situ deposition of a Si3N4 surface layer

Abstract

We have made AlGaN∕GaN high electron mobility transistors with a Si3N4 passivation layer that was deposited in situ in our metal-organic chemical-vapor deposition reactor in the same growth sequence as the rest of the layer stack. The Si3N4 is shown to be of high quality and stoichiometric in composition. It reduces the relaxation, cracking, and surface roughness of the AlGaN layer. It also neutralizes the charges at the top AlGaN interface, which leads to a higher two-dimensional electron-gas density. Moreover, it protects the surface during processing and improves the Ohmic source and drain contacts. This leads to devices with greatly improved characteristics.

Chemical and Potential Bending Characteristics of SiNx/AlGaN Interfaces Prepared by In situ Metal-Organic Chemical Vapor Deposition

“…For GaN field-effect transistors (FETs), in particular, it has been reported that the SiN x -based passivation scheme is effective in suppressing "current collapse effects" [1][2][3] due to a relatively low state density at the SiN x /AlGaN interface. [4][5][6] Very recently, Derluyn et al 7) have reported that the in situ deposition of SiN x on the AlGaN surface significantly improved the DC performance of AlGaN/GaN high-electron mobility transistors (HEMTs). However, the physical mechanism of its passivation effects on the HEMT characteristics is not yet known.…”

Investigation of the Passivation Layers Influence on Capacitance Characteristics of AlGaN/GaN Heterostructures

“…Также было показано, что концентра-ция электронов в канале 2DEG при удалении пасси-вирующего слоя практически не меняется, а большой положительный заряд на границе Si 3 N 4 −AlGaN при-водит к еще более высокой слоевой концентрации носителей заряда в канале. Считается также, что пассивация слоем Si 3 N 4 меняет термостойкость при-бора в достаточной степени, что обеспечивает воз-можность роста тока насыщения [5].…”

“…Наличие этих слоев может улучшить такие транзисторные характеристики, как уровень тока насыщения, повышение пробивных напряже-ний, снижение уровня шумов [3,4]. В настоящее время также используют in situ способ формирова-ния пассивирующего слоя Si 3 N 4 в процессе эпитак-сиального роста самой гетероструктуры методом МОСVD [5]. Такая технология позиционируется как средство, ослабляющее механизм влияния поверх-ностных состояний, которые могут ограничивать ток насыщения и уменьшать напряжение пробоя [1].…”

MOCVD growth of GaN-based high electron mobility transistor structures

“…Bruce M. Green et al first demonstrated that silicon nitride grown by plasma-enhanced CVD for surface passivation of an AlGaN/GaN HEMT structure largely increased the power density and the breakdown voltage. Later, an in-situ Si 3 N 4 deposition was developed in the MOCVD process for AlGaN/GaN HEMTs [85]. In addition to the surface passivation, it was shown that the Si 3 N 4 layer not only can supply additional biaxial strain to AlGaN leading to higher 2DEG density, but also enables to prevent the strain relaxation of the AlGaN barrier layer operating at high temperature [86].…”