Reprezentatívne výsledky

2021

• InN: prielom v elektronike tuhej fázy

InN patrí medzi popredných kandidátov pre materiál s najvyššou elektrónovou rýchlosťou. Avšak tento teoretický predpoklad nebol nikdy potvrdený. V tejto práci demonštrujeme súčastnú úroveň InN materiálu s driftovou elektrónovou rýchlosťou okolo 1 × 10⁸ cms^-1 pri elektrickom poli 48 kVcm^-1. Toto je najvyššia ustálená elektrónová rýchlosť aká bola kedy meraná v hocijakej súčiastke tuhej fázy. Naviac, naša experimentálna hodnota 2 Í presahuje teoretické predpoklady, naznačujúc, že je potrebné prehodnotiť chápanie fundamentálnych vlastností InN materiálu.  Pokiaľ sa podarí plne zvládnuť technológiu tranzistorov na báze InN kanála, súčastná THz frekvenčná diera medzi elektronickými a optickými súčiastkami bude odstránená.

Táto práca bola realizovaná v spolupráci s University of Crete a MRG IESL Crete.

Prúdovo-napäťová charakterizácia a extrakcia elektrónovej rýchlosti v InN odporoch. (a) Typická 10-ns dlhá prúdovo-napäťová vlna. Doba nábehu a poklesu bola okolo 6 ns. Za účelom konštrukcie prúdovo-napäťovej charakteristiky na obr. (b), vlnové funkcie boli spriemerované v 2-ns časovom okne okolo maxima. Náčrt meracej schémy je vložený do obrázku (a). HP 8114A 100 V/2 A bol použitý ako programovateľný generátor pulzov, R_m = 8.5 W. (b)  Závislosť prúdovej hustoty od aplikovaného elektrického pola (ľavá y os) a odpovedajúca extrahovaná elektrónová driftová rýchlosť (pravá y os) série InN odporov. Prerušovaná čiara interpoluje hodnoty. Vložený obrázok predstavuje záber optického mikroskopa na dva 8-mm dlhé a 4-mm široké InN testovacie odpory. Nezlievané Ti/Al/Ni/Au ohmické kontakty a spodný GaN povrch leptaný plazmou je jasne rozlíšiteľný.

J. Kuzmík, A. Adikimenakis, M. Ťapajna, D. Gregušová, Š. Haščík, E. Dobročka, K. Tsagaraki, R. Stoklas, A. Georgakilas: InN: breaking the limits of solid-state electronics, AIP Advances 11 (2021) 125325.

2020

• Rast a vlastnosti InN/InAlN Heteroštruktúr s N polaritou

InN je označovaný ako sľubný materiál pre prípravu ultra-rýchlych tranzistorov. Táto skutočnosť vyplýva predovšetkým z teoreticky vypočítanej driftovej rýchlosti elektrónov, ktorá je najvyššia spomedzi všetkých známych polovodičov. Avšak mikrovlnný transistor s InN kanálom sa doteraz nikomu nepodarilo demonštrovať. Dá sa však predpokladať, že pokiaľ použijeme InAlN s vysokým obsahom In ako nárazníkovú vrstvu, na ňom narastený InN bude vykazovať menšie mriežkové prispôsobenie a menšie pnutie. Takto sa zmenší hustota dislokácií v InN oproti štandartnému rastu na GaN-e. Uvedeným spôsobom sa podarilo demonštrovať decentnú elektrónovú vodivosť 720 cm²V^-1s^-1 v N polárnej InN/InAlN heteroštruktúre, pričom hrúbka InN bola len 20 nm. Zistili sme, že v dôsledku lepšej kryštalografickej kvality, hallovské hodnoty transportných vlastností elektrónov v InN/InAlN heteroštruktúre narastenej na zafíre s povrchom paralerne s kryštalografickou rovinou sú lepšie ako tie narastené na odklonenej rovine.  Ďalšie vylepšenie pohyblivosti nad súčastný štandart možno očakávať vyhladením povrchu InAlN, ďalším nárastom obsahu In v InAlN a kompenzáciou neúmyselných donorov v InAlN-e. V našej  práci sme popísali nevyhnutné kroky smerom k demonštrácií mikrovlnných tranzistorov s InN kanálom.

a) XRD 2θ/ω difrakcia v InN(20 nm)/In_0.57Al_0.43N heteroštruktúre narastenej na neodklonenom zafíre, b) 2D a 3D pohľad na 2×2 µm² AFM sken 20 nm hrubej InN narastenej na N polárnej In_0.57Al_0.43N vrstve, c) Pohyblivosť a koncentrácia elektrónov v InN v závislosti od hrúbky vrstvy.

Hasenöhrl, S., Dobročka, E., Stoklas, R., Gucmann, F., Rosová, A., and Kuzmík, J.: Growth and Properties of N-polar InN/InAlN Heterostructures, Phys. Stat. sol (a) 217 (2020) 2000197.

Kučera, M., Hasenöhrl, S., Dobročka, E., Rosová, A., Eliáš, P., Gucmann, F., and Kuzmík, J.: Morphology, crystalline quality, and optical properties of MOCVDgrown InN/InAlN heterostructures. In: ASDAM 2020. Eds. T. Izsák et al. IEEE 2020. ISBN 978-1-7281-9776-0. P. 131-134.

2019

• MOCVD rast InAlN vrstiev s vysokým obsahom In

Korelujeme zabudovanie In so zbytkovým pnutím/relaxáciou v InAlN vrstvách. Vysoký obsah In je potrebný pre prípravu InAlN nárazníkovej vrstvy v tranzistore s InN kanálom. Testovali sme rast priamo na zafíre alebo na zafír/GaN podložke. Na rozdiel od zafír/GaN podložky, rast InAlN vrstvy priamo na zafíre bol doprevádzaný plnou relaxáciou. Následne, obsah In v štruktúre narástol z 0.28 na 0.60, v porovnaní s rastom na zafír/GaN podložke.

a) Typický XRD 2θ/ω sken In_0.60Al_0.40N narastenenej priamo na (0001) zafír, b) Negatívny Cs HRTEM záznam In_xAl_1‑xN vrstvy narastenej na zafíre s vyznačenými N atómami (modro) a In/Al atómami (červeno), c) In, N, Al, O a C prvková analýza In_xAl_1-xN vrstiev na zafíre v smere [0001].

Chauhan, P., Hasenöhrl, S., Dobročka, E., Chauvat, M.-P., Minj, A., Gucmann, F., Vančo, Ľ., Kováč, J.jr., Kret, S., Ruterana, P., Kuball, M., Šiffalovič, P., and Kuzmík, J.: Evidence of relationship between strain and In-incorporation: growth of N-polar In-rich InAlN buffer layer by OMCVD, J. Applied Phys. 125 (2019).

Chauhan, P., Hasenöhrl, S., Minj, A., Chauvat, M.P., Ruterana, P., and Kuzmík, J, Growth evolution of N-polar Indium-rich InAlN layer on c-sapphire via strain relaxation by ultrathin AlON interlayer, Applied Surface Sci 502 (2020) 144086.

Chauhan, P., Hasenöhrl, S., Dobročka, E., Vančo Ľ., Stoklas, R., Kováč, J., Šiffalovič, P., and Kuzmík, J.: Effect of temperature and carrier gas on the properties of thick In_xAl_1-xN layer, Applied Surface Sci 470 (2019) 1-7.

Hasenöhrl, S., Chauhan, P., Dobročka, E., Stoklas, R., Vančo, Ľ., Veselý, M., Bouazzaoui, F., Chauvat, M.-P., Reterana, P., and Kuzmík, J.: Generation of hole gas in non-inverted InAl(Ga)N/GaN heterostructures, Applied Phys. Express 12 (2019) 014001.

 

2018

• Štúdium povrchových nábojov III-N heteroštruktúr pre realizáciu spínacích GaN Tranzistorov

Posledné dve dekády III-N tranzistory s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) získali veľkú pozornosť z dôvodu vynikajúcich predpokladov pre vysoko frekvenčné a výkonové aplikácie. Toto je vďaka špecifickej vlastnosti polarizačnej dotácie, keď vysoká koncentrácia elektrónov v dvoj-rozmernom plyne kvantovej jamy sa vytvorí na rozhraní III-N bariéra/kanál kompenzovaním prítomného polarizačného náboja PQW. Tento mechanizmus je úplne odlišný od konvenčnej modulačnej dotácie napr. v GaAs HEMT tranzistoroch, kde dvoj-rozmerný plyn je tvorený nespojitosťou pásov na rozhraní kanál/bariéra a prímesovou dotáciou. Pre polarizačne dotované III-N MOS HEMT-y navrhujeme že i) ionizované povrchové donory sa správajú ako fixný náboj ktorý rôzny od záchytných centier, ii) kolektorový prúd otvoreného kanála je nezávislý od koncentrácie povrchových donorov Nd,surf , iii) ak Nd,surf > PQW/q, potom 2D plyn je tvorený transferom elektrónov z povrchových donorov, iv) ak Nd,surf < PQW/q, potom 2D plyn je tvorený transferom elektrónov z povrchových stavov v kombinácií s priamou injekciou z emitora.

Závislosť (a) maximálneho kolektorového prúdu (I_DSmax) a (b) prahového napätia (V_th) od hrúbky oxidu (t_ox) Ni/Al₂O₃/AlGaN/GaN MOS heterostruštruktúry s a bez post-depozičného žíhania (PDA) Al₂O₃ hradlového dielektrika narasteného MOCVD. (c) a (d) zobrazuje C-V characteristiky a extrahované maximálne 2DEG hustoty (n_2DEG) štruktúr z obrázkov (a) a (b).

Gucmann, M. Ťapajna, O. Pohorelec, Š. Haščík, K. Hušeková, and J. Kuzmík: Creation of two-dimesional electron gas and role of surface donors in III-N metal-oxide-semiconductor high-electron mobility transistors. Phys. Status Solidi A 215 (2018) 1800090.

Ťapajna, M., Drobny, J., Gucmann, F., Hušeková, K., Hashizume, T., and Kuzmík, J.: Impact of oxide/barrier fixed charge on threshold voltage instabilities in AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor heterostructures. In: Inter. Workshop on Nitride Semicond. (IWN 2018) Kanazawa 2018.

2017

• Vertikálny GaN tranzistor s izolačným kanálom a spôsob jeho prípravy

Zabezpečenie ekologického rozvoja spoločnosti je úzko späté s vytváraním nových možností na efektívne využívanie dostupných zdrojov energie. Jednou z možností je minimalizovať straty v elektrických prevodníkoch výkonu. Pri potrebe maximalizovať výkon a minimalizovať straty pri takomto prevode, použitie výkonových tranzistorov na báze GaN polovodičov je mimoriadne vhodné riešenie.GaN je chemicky stály polovodičový materiál s energetickou medzerovou 3,4 eV, čo ho predurčuje pre aplikácie v nehostinom prostredí a zvýšené teploty prevyšujúce 300 °C. Okrem toho, vysoká driftová rýchlosť elektrónov v GaN okolo 1 x 10⁵ m/s umožňuje spínanie tranzistorov pri vysokej frekvencií. Spomenuté materiálové parametre sú mimoriadne vhodné na konštrukciu výkonových vysokofrekvenčných tranzistorov a prevodníkov s vysokou účinnosťou.Podstatou vynálezu je vertikálny GaN tranzistor, ktorý pozostáva z elektródy emitora umiestnenej na vrchnej kontaktovej n⁺ GaN vrstve, elektródy kolektora privedenej odspodu na GaN substráte a hradla. Elektróda hradla je vytvorená vertikálne pozdĺž kanálovej izolačnej GaN vrstvy a je oddelená od GaN polovodiča dielektrickou izolačnou vrstvou s väčšou šírkou energetickej medzere ako je v GaN. Izolačný charakter kanálovej GaN vrstvy zaručuje obohacovací mód tranzistora a tak isto umožňuje masívnu konštrukciu tranzistora, bez nutnosti nano-tvarovania, paralernej kombinácie viacerých kanálov a mostíkového prepojenia elektród emitora.

Výkonové obohacovacie tranzistory s izolačnou GaN kanálovou vrstvou nájdu uplatnenie vo vysoko účinných prevodníkoch elektrického výkonu. Uplatnenie nájdu v generácií a rozvode elektrickej energie, ale aj v napájacích a pohonných jednotkách elektromobilov.
Prihláška patentu č. PP50074-2017

2016

• Výskum spoľahlivosti hradlovej elektródy v spínacích GaN tranzistoroch pre vysoko-efektívne prevodníky napätia

Aplikácia spínacích súčiastok – tranzistorov – na báze gálium-nitridu (GaN) môže zabezpečiť potlačenie strát vznikajúcich v doteraz používaných AC/DC prevodníkoch, pričom potenciálne úspory energie by až 10-krát prevyšovali objem energie generovanej z alternatívnych zdrojov. Konzorcium medzinárodného projektu EÚ HipoSwitch, ktorého sme boli členom, malo za cieľ rozvinúť technologické zázemie pre túto technológiu v EÚ. Jedným z problémov identifikovaných počas implementácie projektu bola nízka odolnosť riadiacieho hradla spínacieho GaN tranzistora v zopnutom stave. V spolupráci s Ferdinad-Braun Institute v Berlíne (Nemecko) sme skúmali mechanizmus degradácie hradiel spínacích GaN tranzistorov počas elektrického namáhania v zopnutom stave. Pomocou relevantných štatistických metód sme extrapolovali najvyššie prípustné (bezpečné) napätie, ktoré môže byť aplikované na riadiacu elektródu tranzistora pri zachovaní jeho životnosti najmenej 10 rokov. Výsledky boli publikované na medzinárodnej konferencii a v prestížnych vedeckých časopisoch Applied Physics Letters a IEEE Electron Device Letters.

Ťapajna, M., Hilt, O., Bahat-Treidel, E., Würfl, J., and Kuzmík, J.: Gate reliability investigation in normally-off p-type-gan cap/AlGaN/GaN HEMTs under forward bias stress, IEEE Electron Device Lett. 37 (2016) 385 – 388.

Ťapajna, M., Hilt, O., Bahat-Triedel, E., Würfl, H., and Kuzmík, J.: Investigation of gate-diode degradation in normally-off p-GaN/AlGaN/GaN high-electron-mobility transistors, Applied Phys. Lett. 107 (2015) 193506.

Ťapajna, M., Hilt, O., Bahat-Treidel, E., Würfl, J., and Kuzmík, J.: Gate robustness analysis of normally-off p-GaN HEMTs for high power switching applications, In: Proc. 39^th Workshop on Compound Semiconductor Devices and Integrated Circuits, WOCSDICE 2015. P. 67-68.

2015

• Materiálové vlastnosti povrchu InN polovodičových vrstiev

InN je materiál s najvyššou saturačnou rýchlosťou elektrónov zo všetkých známych polovodičov v prírode. Je teda kandidátom na konštrukciu rekordne rýchlych tranzistorov. Avšak doteraz sa nepodarilo pripraviť mikrovlnný tranzistor na báze InN. Dôvodom je velké pnutie zdola pri raste InN na GaN podklade a taktiež efekt akumulácie elektrónov na povrchu InN. V našej práci sme analyzovali elektrické a chemické vlastnosti InN povrchu narasteného s rôznou polaritou a možnosti odstránenia nežiadúcej akumulácie elektrónov na povrchu. Analýzou foto-elektrónov vybudených z jadra atómov sme zistili značnú oxidáciu povrchu InN, pokiaľ bol narastený s voľnými kovovými väzbami na povrchu.  Taktiež sme zistili značnú akumuláciu elektrónov, nezávisle na prítomnosti oxidu. Na druhej strane, pokiaľ bol InN prikrytý dvoma monovrstvami GaN, oxidácia povrchu bola silne potlačená. Naviac, pri prikrytí InN povrchu  štyrmi monovrstvami GaN, došlo k úplnému potlačeniu povrchovej akumulácie. Tento efekt je dôležitý z hľadiska konštrukcie budúcich ultra-rýchlych tranzistorov.

Vypočítaný pásmový energetický diagram InN (000-1) filmu bez prikrytia (plná čiara) a s 4 mono vrstvami GaN krycej vrstvy (prerušovaná čiara). Experimentálne hodnoty sú zvýraznené šípkami a symbolmi.

Kuzmik, J., Haščík, Š., Kučera, M., Kúdela, R., Dobročka, E., Adikimenakis, A., Mičušík, M., Gregor, M., Pleceník, A., and Georgakilas, A.: Elimination of surface band bending on N-polar InN with thin GaN capping, Applied Phys. Lett. 107 (2015) 191605.

Kuzmík, J., Adikimenakis, A., Gregor, M., Mičušík, M., Eičo, K., Haščík, Š., Plecenik, A., and Georgakilas, A.: Impact of polarity and GaN capping on electrical and material properties of InN surfaces. In: 11^th Inter. Conf. on Nitride Semicond. Peking, August 2015.

2014

• Technologický transfer normálne zatvoreného výkonového tranzistora typu AlGaN/GaN HEMT do Ferdinand Braun Institute Berlin

Technologický transfer do Ferdinand Braun Institute Berlin, resp. perspektívne ku koncovému priemyselnému odberateľovi Infineon Villach, bol kontrahovaný v rámci  projektu 7RP HipoSwitch.  V rámci európskeho konzorcia kolektív Elektrotechnického ústavu SAV pod vedením Ing. J. Kuzmíka, vyvýjal nový typ normálne zatvoreného AlGaN/GaN tranzistora  typu HEMT, ktorý je alternatívou k súčasným  technológiám.  Tieto súčiastky sa majú uplatniť v konštrukcií výkonových efektívnych prevodníkoch napr. hybridných áut. Z toho dôvodu bolo potrebné navrhnúť technológiu tranzistora, ktorá by zabezpečovala dostatočne vysokú hodnotu prahového napätia zopnutia tranzistora, pri zachovaní nízkeho odporu v stave zopnutia a súčasne analyzovať mechanizmy elektrického prierazu v zatvorenom stave. Nami navrhnutá technológia je založená na nastavení prahového napätia pomocou plazmatickej oxidácie povrchu polovodiča a následnej depozície oxidu nanášaním po atómových úrovniach. Týmto spôsobom sme dosiahli hodnotu prahového napätia na úrovni 1.6 V a prúdovú hustotu 0.5 A/mm v otvorenom stave. Analýza mechanizmu prierazu v zatvorenom stave poukázala na lavínový efekt a s tým spojenú degradáciu rozhraní. Okrem publikácií, výstupom našej práce je aj priemyselný vzor odovzdaný našim partnerom.

Prevodové charakteristiky panenského Schottky kontakt a alternatívne oxidovaného (Al2O3)/AlOxN/AlGaN/GaN HFET-u. Vložený obrázok schematický náčrt GaN HFET-u s polarizačne dotovanou prístupovou oblasťou, plazmou oxidovanou hradlovou oblasťou a ALD narasteným Al₂O₃.

Gregušová, D., Jurkovič, M., Haščík, Š., Blaho, M., Seifertová, A., Fedor, J.,  Ťapajna, M., Fröhlich, K., Vogrinčič, J., Liday, J., Derluyn, J., Germain, M., and Kuzmík, J.: Adjustment of threshold voltage in AlN/AlGaN/GaN high-electron mobility transistors by plasma oxidation and Al₂O₃ atomic layer deposition overgrowth, Applied Phys. Lett. 104 (2014) 013506.

Kuzmík, J., Jurkovič, M., Gregušová, D., Ťapajna, M., Brunner, F., Cho, E.M., Menghesso, G., and Wuerfl, J.: Degradation of AlGaN/GaN high-electron mobility transistors in the current-controlled off-state breakdown, J. Applied Phys. 115 (2014) 164504.

• Optimalizácia návrhu výkonového spínacieho tranzistora AlGaN/GaN HEMT

V práci sme vyšetrovali efekty samoohrevu a rozloženia elektricky aktívnych porúch v spínacich p-GaN/AlGaN/GaN heteroštruktúrnych tranzistoroch. Skúmané súčiastky boli pripravené na heteroštruktúrach s AlGaN alebo GaN kanálovou oblasťou rastenou na vodivých SiC substrátoch. Za účelom zabezpečenia vysokého prierazného napätia (vertikálny prieraz) boli pred depozíciou do SiC implantované atómy Ar. V súlade s očakávaniami sme pomocou tranzientnej techniky pre skúmanie efektu samoohrevu pozorovali takmer troj-násobný nárast teploty kanála v tranzistoroch s AlGaN kanálovou oblasťou oproti tranzistorom s GaN kanálovou oblasťou. Na druhej strane bolo prekvapivé pozorovanie nárastu efektov samoohrevu pre štruktúry s implantovaným Ar do substrátu. Tento efekt môžeme prisúdiť zmene materiálových vlastností AlGaN kanálovej vrstvy rastenej na substráte implantovanom Ar. Výsledky modelovania pozorovaných tepelných efektov poukazujú na zníženie tepelnej vodivosti AlGaN vrstvy z 30 na 15 W/mK pre vzorky bez resp. s Ar implantáciou do SiC.
Pre lepšie pochopenie zmeny tepelnej vodivosti vrstiev rastených na Ar implantovanom substráte sme realizovali sériu meraní tranzient výstupného prúdu pre charakterizáciu emisno-záchytných procesov elektricky aktívnych porúch. Naša analýza ukázala prítomnosť dominantných procesov záchytu nosičov (označených ako Tp2 v obrázku nižšie) v súčiastkach s AlGaN kanálovou vrstvou, zatiaľ čo tento proces bol pre tranzistory s GaN kanálovou vrstvou zanedbateľný. Za účelom lokalizácie týchto pascí sme v ďalšom merali tranzienty drainového prúdu na súčiastkach, ktoré boli podrobené elektrickému namáhaniu v zatvorenom stave. Táto analýza jednoznačne ukázala, že defekty zodpovedné za záchytné procesy Tp2 sa nachádzajú priamo v kanálovej AlGaN oblasti. Výsledky preto naznačujú, že implantácia Ar do SiC substrátu ovplyvňuje hustotu rastových defektov počas následného rastu heteroštruktúry.

Kuzmík, J., Ťapajna, M., Válik, L., Molnár, M., Donoval, D., Fleury, C., Pogany, D., Strasser, G., Hilt, O., Brunner, F., and Wuerfl, J.: Self-heating in GaN transistors designed for high-power operation, IEEE Trans. Electron  Dev. 61 (2014) 3429-3434.

M. Ťapajna, et al. In: ASDAM ’14. Eds. J. Breza et al. Piscataway: IEEE 2014. ISBN: 978-1-4799-5474-2, p. 121.

• Elektrickým poľom ovládané tranzistory typu kov-oxid-polovodič na heteroštruktúre InGaAs/GaAs s dvojvrstvovým hradlovým dielektrikom zloženým z oxidu pripraveného pomocou kyslíkovej plazmy a Al₂O₃

Naša štúdia sa zameriava na proces prípravy a vlastnosti elektrickým poľom ovládaných MOS tranzistorov na heteroštruktúre InGaAs/GaAs s dvojvrstvovým hradlovým dielektrikom zloženým z oxidovej vrstvy pripravenej pomocou oxidácie povrchu heteroštruktúry (GaAs) v kyslíkovej plazme a jej následným pokrytím vrstvou Al₂O₃pripravenej procesom nanášania po atomárnych vrstvách (ALD). Štruktúry boli plazmaticky oxidované po dobu 75 s a 150 s. Statická charakterizácia tranzistorov potvrdila prúdovú hustotu kolektora v saturácii na úrovni ~250 mA/mm pri hradlovom napätí V_G = 1 V. Kapacitné merania ukázali zlepšenie v režime ochudobnenia oproti referenčným štruktúram bez dvojvrstvového hradlového dielektrika. Vodivostnou metódou bola stanovená hustota nábojových pascí v ráde 10¹¹ cm^-2eV^-1, vykazujúc jej postupný pokles s rastúcou energiou pascí. Najvyššie hodnoty pohyblivosti elektrónov boli 3950 cm²V^-1s^-1 (oxidácia 75 s) a 4750 cm²V^-1s^-1(oxidácia 150 s) a to pri plošnej hustote náboja ~2 × 10¹² cm^-2. Získané výsledky a najmä nízka dosiahnutá hodnota hustoty nábojových pascí, ktorá je v porovnaní s literatúrou až o rád nižšia poukazujú na veľký potenciál metódy plazmatickej oxidácie povrchu polovodiča a následnej depozície Al₂O₃ pri príprave MOS štruktúr na GaAs.

Gucmann, F., Gregušová, D., Stoklas, R., Dérer, J., Kúdela, R., Fröhlich, K., and Kordoš, P.: InGaAs/GaAs metal-oxide-semiconductor heterostructure field-effect transistors with oxygen-plasma oxide and Al2O3 double-layer insulator. Applied Phys. Lett. 105 (2014) 183504.

2013

• Záchyt v objeme a na rozhraní v hradlovom oxide tranzistorov GaN s vysokou pohyblivosťou elektrónov

Porozumenie parazitným procesom záchytu nosičov náboja v hradlovom oxide GaN tranzistorov je nevyhnutné pre ďalší vývoj vysoko-efektívnych spínačov na báze GaN. V práci je po prvýkrát popísaný spôsob separácie a kvantifikácie záchytných procesov nosičov náboja elektricky aktívnymi poruchami v objeme hradlového oxidu a na jeho rozhraní s heteroštruktúrnou podložkou. Na separáciu bola využitá originálna technika sledovanie časových zmien prahového napätia tranzistorovej štruktúry v závislosti od teploty a optickej excitácie porúch v rozsahu energií od 1.5 do 3.4 eV. Ďalej sme analyzovali špecifické vplyvy tranzistorovej heteroštruktúry na jej kapacitné vlastnosti. Popísaná technika poskytuje adresnú spätnú väzbu potrebnú pre rýchlejší vývoj technológie vysoko-efektívnych spínačov na báze GaN s hradlovým oxidom. Práca vznikla v rámci riešenia projektu APVV a projektu 7RP EÚ HipoSwitch.

Ťapajna, M., Jurkovič, M., Válik, L., Haščík, Š., Gregušová, D., Brunner, F., Cho, E., and Kuzmík, J.: Bulk and interface trapping in the gate dielectric of GaN based metal–oxide–semiconductor high-electron mobility transistors. Applied Phys. Lett. 102 (2013) 243509.

• GaN/InAlN/AlN/GaN tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov s Schottkyho bariérou a so selektívnym odleptaním prístupových oblastí

Príprava tranzistorov s normálne zatvoreným kanálom na báze InAlN bariéry je unikátnym vyvrcholením práce medzinárodného konzorcia v rámci 7RP projektu MORGAN. Vyvinutý typ tranzistora poukazuje na technologicky jednoduchú možnosť realizácie výkonového spínacieho tranzistora s vysokým prierazným napätím a nízkymi zvodovými prúdmi pri použití Schottkyho hradlovej elektródy, čo doteraz nebolo uskutočnené. Tranzistor taktiež umožňuje prípravu novej generácie vysoko rýchlych logických obvodov ako aj výkonových a robustných spínačov. Výsledok prezentuje aj nový spôsob tvarovania povrchu tranzistora suchým leptacím procesom, ktorý je vysoko-selektívny a bez vplyvu na výstupné parameter tranzistora. Práca bola vedená a z väčšej časti realizovaná na ElÚ SAV.

(a) Vypočítané energetické pásmové diagramy a koncentračné profily elektrónov v prístupových oblastiach (GaN)/InAlN/AlN/GaN HEMT-u v termodinamickej rovnováhe pred a po leptaní GaN krycej vrstvy.  (b) náčrt skompletizovaného HEMT-u. (c) AFM obrázok testovaciej štruktúry s 2.5 µm širokým vyleptaným oknom v GaN krycej vrstve.

Jurkovič, M., Gregušová, D., Palankovski, V., Haščík, Š., Blaho, M., Čičo, K., Fröhlich, K., Carlin, J., Grandjean, N., and Kuzmík, J.: Schottky-barrier normally off GaN/InAlN/AlN/GaN HEMT with selectively etched access region, IEEE Electron Dev. Lett. 34 (2013) 432-434.

Jurkovič, M., Gregušová, D., Haščík, Š., Blaho, M., Molnár, M., Palankovski, V., Donoval, D., Carlin, J.-F., Grandjean, N., and Kuzmík, J.: GaN/InAlN/AlN/GaN normally-off HEMT with etched access region. In: WOCSDICE-EXMATEC 2012. Proc. 36th European Workshop on Compound Semicond. Devices and Integrated Circuits and 11th Expert Evaluation & Control of Compound Semicond. Mater. and Technol. Eds. Y. Cordier and J.-Y. Duboz. Island of Porquerolles: CRHEA & CNRS 2012.

• Radiálny PN prechod na nanodrôte GaP/ZnO

Nanodrôty (NWs) typu jadro-obal sme pripravili v dvojstupňovom procese: (1) GaP (NWs) sme narástli na  GaP substáte pomocou nízkotlakej MOCVD aparatúry s použitím 30nm Au zárodkov použitých ako nukleačné centrá, (2) následne boli GaP NWs pokryté obalovou vrstvou GZnO dotovaného Ga. Obalová vrstva sa pripravila RF naprašovaním v planárnom RF diódovom zariadení značky Perkin Elmer. Elektrické kontakty boli pripravené pomocou individuálnej elektrónovej litografie. Bol použitý lift-off proces. Najprv sa naparili Au/Zn (GaP jadro) a následne Au/Al (ZnO obal) kontakty.Elektrické a fotoelektrické merania celého systému potvrdili, že medzi GaP jadrom a ZnO obalom vznikol radiálny PN heteroprechod.

  
TEM prierez nanodrôtom typu jadro-obal (vľavo). SEM bočný pohľad na okontaktovaný radiálny PN prechod v nanodrôte (vpravo).

Hasenöhrl, S., Eliáš, P., Šoltýs, J., Stoklas, R., Dujavová,  A., and Novák, J.:  Zinc-doped gallium phosphide nanowires for photovoltaic structures, Applied Surface Sci 269 (2013) 72-76.* IF: 2,11

Laurenčíková, A., Hasenöhrl, S., Eliáš, P., Stoklas, R., Blaho, M., Križanová, Z., and Novák, J.: Ohmic contacts to p-GaP/n-ZnO core/shell nanowires based on Au metallization, Applied Surface Sci 267 (2013) 60-64.* IF: 2,11

Novák, J., Križanová, Z., Vávra, I., Eliáš, P., Hasenöhrl, S., Laurenčíková, A., Novotný, I., Kováč, J., Šutta, P., and Mikulics, M.: Structural and optical properties of individual GaP/ZnO core-shell nanowires, Vacuum 98 (2013) 106-110. IF: 1,53

Novák, J., Eliáš, P., Hasenöhrl, S., Laurenčíková, A., Vávra, I., Novotný, I., Kováč, J., Mikulics, M., and Grünberg, P.: Properties of individual GaP/ZnO core-shell nanowires with radial PN junction. In: SPIE Microtechnologies 2013. Nanoeng.: Fabric., Propert., Optics, Devices X. Grenoble 2013, Proc. SPIE 8766 (2013) 8766-8.

2012

• InN/GaN/InAlN tranzistory s vysokou pohyblivosťou elektrónov a N polaritou

V súčasnosti pozorujeme kontinuálnu snahu na zvýšenie rýchlosti tranzistorov na báze III-N polovodičov. Medzi inými obmedzeniami, ktoré limitujú rýchlosť tranzistorov, klúčovou je relatívne veľká efektívna hmotnosť elektrónov vo všeobecne používanom GaN kanáli. V uvedenej práci je popísaný a teoreticky zdôvodnený návrh tranzistora s napnutým InN kanálom, čo potenciálne môže zvýšiť rýchlosť tranzistorov až na 2.5 násobok. Návrh zohľadňuje možné technologické problémy rastu a preto je navrhnutý s tzv. N-polaritou kde InN kanál sa rastie ako posledná vrstva a izoluje sa od hradla pomocou dielektrika. Takto bude potenciálne možné vyplniť doteraz existujúcu „teraherzovú medzeru“ pomocou elektronických súčiastok a priblížiť sa k frekveciám doteraz vyhradeným optoelektronike.

Vypočítaný energetický pásmový diagram a epitaxná štruktúra N-polárneho InN/GaN/InAlN HEMT-u.

Kuzmik, J.: N-Polarity InN/GaN/InAlN High-Electron-Mobility Transistors, Applied Phys. Express 5, 044101 (2012). IF: 3,013

• Všeobecný analytický model výpočtu prahového napätia v GaN heteroštruktúrnych tranzistoroch typu kov-oxid-polovodič

Heteroštruktúrne tranzistory na báze GaN s izolovaným hradlom (GaN MOS-HFET) sú vynikajúcimi kandidátmi pre vysoko-napäťové a vysoko-rýchle súčiastky novej generácie. Správny výber izolácie umožňuje manipulácie povrchového náboja a taktiež nastavenie prahového napätia tranzistora (VT). Napriek rýchlemu napredovaniu uvedenej vednej disciplýny, v literatúre doteraz chýbal komplexný analytický model technologického nastavenenia a výpočtu VT. Uvedená práca poskytuje tento model súčasne s vysvetlením pôvodu a výpočtu všetkých relevatných nábojov v štruktúre.
Práca vznikla v rámci EÚ 7RP projektu HipoSwitch. Projekt je zameraný na vývoj a transfer technológie tranzistorov pracujúcich v obohacovacom móde, t.j. s klúčovým kritériom VT > 0 V.

   

Ťapajna, M. and Kuzmík, J.: A comprehensive analytical model for threshold voltage calculation in GaN based metal-oxide-semiconductor high-electron-mobility transistors. Applied Phys. Lett. 100 (2012) 113509.

M. Ťapajna, K. Fröhlich, and J. Kuzmík, Int. Workshop on Semiconductor Devices – IWSD’12 (invited), March 5-6 2012, RCIQE, Sapporo, Japan.

M. Ťapajna and J. Kuzmík, In: Int. Workshop on Nitride Semicond., IWN’12, October 14-19 2012, Sapporo, Japan.

• Technológia prípravy nanostlpikov pre fotovoltaické aplikácie

Nanodrôty sa vyznačujú unikátnymi elektrickými a optickými vlastnosťami v dôsledku malých rozmerov a s tým spojeného efektu ohraničenia. Integrácia týchto krehkých objektov vyžaduje dokonalé poznanie ic individuálnych vlastností. Precízna elektrická charakterizácia nanodrútov vyžaduje prípravu dokonalých nanokontaktov s vysokou časovou stabilitou, nízkym kontaktným odporom a ohmickým chovaním. Využili sme konvenčné metódy používané na charakterizáciu poľom riadených tranzistorov aby sme mohli určiž typ vodivosti v nanodrôtoch ako aj pohyblivosť nosičov náboja. Štruktúrne vlastnosti jednotlivých nanodrôtov sme čtudovali pomocou TEM a SEM mikroskopie. GaP nanodrôty sme pripravovali na p-type GaP (111)B substrátov pomocou VLS technológie používajúce Au zárodky s priemerom približne 30 nm. Časť nanodrôtov bola pokrytá obalom hrúbky (10-140 nm) z nanoštrukturovaného ZnO pripraveného pomocou RF naprašovania. Depozícia tenkej vrstvy ZnO na povrchu GaP nanodrôtov viedla k vzniku radiálneho PN prechodu. Táto práca vznikla v rámci projekt APVV-0301-10.

     
SEM pohľad na lesík nanodrôtov pripravených na GaP substráte (vľavo) a priečny rez GaP nanodrútom pokrytým vrstvou ZnO (vpravo).

Novák, J., Novotný, I., Kováč, J., Eliáš, P., Hasenöhrl, S., Križanová, Z., Vávra, I., and Stoklas, R.: Preparation of thin Ga-doped ZnO layers for core-shell GaP/ZnO nanowires, Applied Surface Sci 258 (2012) 7607-7611.

Suslik, L., Pudis, D., Skriniarova, J., Kovac, J., Kubicova, I., Tvarozek, P., Martincek, I., and Novak, J.: GaAs/AlGaAs light emitting diode with 2D photonic structure in the surface, Proc. SPIE 8070 (2011)  art. no. 807017

Novák, J., Šoltýs, J., Eliáš, P., Hasenöhrl, S.,  Stoklas, R., Dujavová, A., and Mikulics, M.: Electrical and photoluminescence properties of individual GaP nanowires doped by zinc, Phys. Stat. Solidi (a) 209 (2012) 2505-2512.

• Výskum vlastností tranzistorov s in-situ pasivačnou vrstvou na báze GaAs

Poľom riadené kov-oxid- polovodič (MOS) tranzistory  na báze GaAs a jeho heteroštruktúr (MOSHFET)  predstavujú alternatívu ku konvenčným kremíkovým MOS tranzistorom. Avšak kvalita a spoľahlivosť GaAs MOSHFET-ov je stále limitovaná vysokou hustotou povrchových stavov resp. stavov na rozhraní oxid-polovodič. My sme študovali GaAs MOSHFET-y, v ktorých oxidová vrstva bola vo funkcii hradlovej izolačnej vrstvy a süčasne vytvárala aj pasivačnú vrstvu. Heteroštruktúry s InGaAs kanálom, AlGaAs bariérou a GaAs kontaktovou vrstvou boli pripravené technikou depozície z pár organokovových zlúčenín na poloizolačnom GaAs substráte.  Povrch GaAs krycej vrstvy bol pokrytý in-situ tenkou hliníkovou vrstvou, ktorá bola následne oxidovaná pri izbovej teplote, aby bola vytvorená tenká vrstvička oxidu hliníka. Statické, mikrovlnné a kapacitné merania dokázali, že súčiastky vykazovali zlepšené parametre v porovnaní so súčiastkami bez tenkej oxidovej vrstvy. MOSHFET súčiastky vykazovali  vyššiu nábojovú hustotu a saturačný prúd.   MOSHFETy s dĺžkou hradla 1,5 μm vykazovali fT=19GHz and fmax=48GHz .  Naše výsledky dokumentujú, že tenká oxidová vrstva efektívne eliminuje hustotu nábojových stavov na povrchu.

Statické charakteristiky  MOSHFET a HFET na báze GaAs. Vľavo prevodové charakteristiky, vpravo strmosť tranzistorov.

Mikrovlnné vlastnosti MOSHFET a HFET na báze GaAs.

Kordoš, P., Kúdela, R., Stoklas, R., Čičo, K., Mikulics, M., Gregušová, D., and Novák, J.: Aluminum oxide as passivation and gate insulator in GaAs-basedfield-effecttransistorsprepared in situ by metal-organic vapor deposition. Applied Phys. Lett. 100 (2012) 142113.

Kordoš, P., Fox, A., Kúdela, R., Mikulics, M., Stoklas, R., and Gregušová, D.: GaAs-based metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistorwithaluminum oxide gate insulatorprepared in situ by MOCVD. Semicond. SciTechnol. 27 (2012) 115002.