Excellent electrostatic control and gate reliability for breakdown enhanced AlGaN/GaN HEMTs with extreme permittivity BaTiO3

材料科学 可靠性(半导体) 光电子学 介电常数 宽禁带半导体 氮化镓 电介质 复合材料 物理 功率(物理) 图层(电子) 量子力学
作者
Lin Hao,Tiancheng Hu,Hui Guo,Danfeng Pan,Jiandong Ye,Yugang Zhou,Hai Lu,Rong Zhang,Youdou Zheng,Dunjun Chen
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:124 (15) 被引量:6
标识
DOI:10.1063/5.0194688
摘要

In this Letter, we investigated the electrostatic control capability and gate reliability of the BaTiO3 integrated AlGaN/GaN HEMTs. The fabricated HEMT exhibits a high peak maximum transconductance of 141 mS/mm, a large ON/OFF current ratio of 4.1 × 109, and a small subthreshold swing of 70.6 mV/dec, attributed to the gate leakage suppression and prominent gate coupling. These parameters demonstrate that the HEMT device with extreme permittivity BaTiO3 dielectric has the excellent electrostatic control capability. A high breakdown voltage of 1348 V was also achieved thanks to the screening of the negative gate image charges and the resulting improvement of electric field distribution by using double-layer BaTiO3 with the wrapped gate structure. Furthermore, gate bias step-stress and pulse I–V measurements show that the device exhibits a small VTH shift of 0.06 V at 2 V bias stress and a slight current collapse of ∼2.7% accompanied with a 6.0% RON increment at a quiescent drain bias VDSQ = 30 V, which benefits from the high quality of the dielectrics/AlGaN interface with Dit of 8.87 × 1012 eV−1/cm2. These findings elucidate the immense potential of extreme permittivity dielectrics engineering in achieving high-performance AlGaN/GaN power electronic devices.
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