AlN/GaN a temperatura ambiente: 2DEG oltre 10¹⁴ cm⁻² e resistenza di foglio di 166 Ω/□

Fonti

Articolo originale pubblicato su Alcircle.

Approfondimento

Gli scienziati dell’Università del Michigan, Ann Arbor, hanno realizzato una densità di gas elettronico bidimensionale (2DEG) eccezionalmente alta a temperatura ambiente in una struttura eterostrutturale AlN/GaN. La struttura, ottenuta mediante epitassia a fascio molecolare assistita da plasma (PAMBE), utilizza un singolo canale con una barriera AlN di 9 nm, raggiungendo densità superiori a 1 × 10¹⁴ cm⁻².

Dati principali

Le misurazioni Hall di Van der Pauw a temperatura ambiente hanno mostrato:

Il valore di resistenza di foglio più basso (166 Ω/□) è stato osservato per la barriera di 6 nm, posizionando la struttura tra le migliori eterostrutture AlN/GaN riportate finora.

Possibili Conseguenze

Questa elevata densità di 2DEG e la bassa resistenza di foglio suggeriscono un potenziale per dispositivi ad alta frequenza e potenza, come amplificatori a millimetro-wave, architetture RF front‑end e transistor ad alta mobilità di elettroni (HEMT) con scala aggressiva e stabilità termica. L’integrazione di dielettrici di gate (Al₂O₃, HfO₂) e l’ingegneria dell’interfaccia potrebbero ampliare la finestra di affidabilità di questi dispositivi.

Opinione

Il lavoro evidenzia che la barriera AlN, grazie alla sua grande differenza di polarizzazione con il GaN, può offrire confinamento elettronico molto forte se la tensione di deformazione è controllata con precisione. Tuttavia, l’aumento di spessore porta a crepe e a una maggiore resistenza di foglio, indicando la necessità di ottimizzare le condizioni di crescita per evitare la rilassamento della tensione.

Analisi Critica (dei Fatti)

La ricerca si basa su misurazioni sperimentali robuste (Hall, AFM) e su un’analisi dettagliata dei meccanismi di scattering (Coulomb, foni ottici polari, rugosità dell’interfaccia). I risultati sono coerenti con le previsioni teoriche sul rilassamento della tensione a circa 6,5 nm, ma mostrano che condizioni di crescita reali possono spostare questo limite. La presenza di densità di 2DEG anche a temperature cryogeniche conferma la natura di polarizzazione del gas elettronico.

Relazioni (con altri fatti)

Le prestazioni ottenute superano quelle di eterostrutture con barriere AlGaN, InAlN o ScAlN, che tipicamente presentano densità di 2DEG inferiori. L’approccio di crescita PAMBE a 600 °C con eccesso di metallo è stato precedentemente dimostrato efficace per migliorare la mobilità di superficie e la uniformità dei film.

Contesto (oggettivo)

Il settore dei semiconduttori a banda larga (wide‑bandgap) è in rapida evoluzione, con una crescente domanda di dispositivi ad alta frequenza e potenza. La capacità di controllare la densità di 2DEG in strutture AlN/GaN è un passo significativo verso l’ottimizzazione di HEMT e altre tecnologie di amplificazione RF.

Domande Frequenti

1. Qual è la densità di 2DEG raggiunta nella struttura di 9 nm? La densità è superiore a 1 × 10¹⁴ cm⁻².

2. Qual è la resistenza di foglio più bassa osservata? 166 Ω/□, ottenuta con una barriera di 6 nm.

3. Perché la densità di 2DEG aumenta con lo spessore della barriera? L’aumento dello spessore intensifica la differenza di polarizzazione e la tensione di deformazione, favorendo un più forte confinamento elettronico.

4. Cosa causa la riduzione della mobilità con l’aumentare dello spessore? Principali meccanismi di scattering: interazioni Coulomb, collisioni con foni ottici polari e rugosità dell’interfaccia.

5. La struttura mantiene la densità di 2DEG a temperature cryogeniche? Sì, la densità rimane finita anche a 100 K, indicando l’assenza di congelamento dei portatori.