Een team van onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign heeft geavanceerde galliumnitride (GaN)-op-siliciumtransistortechnologie ontwikkeld door de samenstelling van de halfgeleiderlagen waaruit het apparaat bestaat te optimaliseren. In samenwerking met industriepartners Veeco en IBM, het team creëerde de HEMT-structuur (High Electron Mobility Transistor) op een siliciumsubstraat van 200 mm met een proces dat kan worden geschaald naar grotere wafelformaten die voldoen aan de industriestandaard.

Kan Bayram, een assistent-professor elektrische en computertechniek (ECE), en zijn team hebben de GaN HEMT-structuur gemaakt op een siliciumplatform omdat het compatibel is met bestaande CMOS-productieprocessen en goedkoper is dan andere substraatopties zoals saffier en siliciumcarbide.

Echter, silicium heeft zijn uitdagingen. Namelijk, de roosterconstante, of ruimte tussen siliciumatomen, komt niet overeen met de atomaire structuur van het GaN dat erop is gegroeid.

"Als je de GaN er bovenop laat groeien, er is veel spanning tussen de lagen, dus hebben we bufferlagen [tussen het silicium en GaN] laten groeien om de roosterconstante in de juiste grootte te helpen veranderen, ", legt ECE-undergraduate-onderzoeker Josh Perozek uit, hoofdauteur van het paper van de groep, "Onderzoek naar structurele, optisch, en elektrische kenmerken van een AlGaN/GaN-transistorstructuur met hoge elektronenmobiliteit over een 200 mm Si(1 1 1)-substraat, " in de Journal of Physics D:Applied Physics .

Zonder deze bufferlagen, er zullen scheuren of andere defecten ontstaan ​​in het GaN-materiaal, waardoor de transistor niet goed zou werken. specifiek, deze defecten - draaddislocaties of gaten waar atomen zouden moeten zijn - verpesten de eigenschappen van het 2-dimensionale elektronengaskanaal in het apparaat. Dit kanaal is van cruciaal belang voor het vermogen van de HEMT om stroom te geleiden en te functioneren bij hoge frequenties.

"Het allerbelangrijkste voor deze GaN [HEMT]-apparaten is dat ze een hoge 2D-elektronengasconcentratie hebben, " zei Bayram, over de accumulatie van elektronen in een kanaal op het grensvlak tussen het silicium en de verschillende op GaN gebaseerde lagen erboven.

"Het probleem is dat je de spanningsbalans tussen al die lagen moet regelen - van het substraat helemaal tot aan het kanaal - om de dichtheid van de geleidende elektronen te maximaliseren om de snelste transistor met het hoogst mogelijke vermogen te krijgen dichtheid."

Na het bestuderen van drie verschillende bufferlaagconfiguraties, Het team van Bayram ontdekte dat dikkere bufferlagen gemaakt van gegradeerd AlGaN de dislocatie van schroefdraad verminderen, en het stapelen van die lagen vermindert stress. Met dit type configuratie, het team bereikte een elektronenmobiliteit van 1, 800 cm2/V-sec.

"Hoe minder spanning er is op de GaN-laag, hoe hoger de mobiliteit, wat uiteindelijk overeenkomt met hogere werkfrequenties van de transistor, " zei Hsuan-Ping Lee, een ECE-afgestudeerde student-onderzoeker die de opschaling van deze apparaten voor 5G-toepassingen leidt.

Volgens Bayram, de volgende stap voor zijn team is het fabriceren van volledig functionele hoogfrequente GaN HEMT's op een siliciumplatform voor gebruik in de 5G draadloze datanetwerken.

Wanneer het volledig is ingezet, het 5G-netwerk zal snellere datasnelheden mogelijk maken voor 's werelds 8 miljard mobiele telefoons, en zal zorgen voor betere connectiviteit en prestaties voor Internet of Things (IoT)-apparaten en auto's zonder bestuurder.