Crecimiento y fabricación de transistores HEMT de AlGaN/GaN por epitaxia de haces moleculares

Los semiconductores de nitruro de galio (GaN) y sus aleaciones (AlGaN, InGaN) han surgido en la última década como uno de los materiales más prometedores en el campo de los transistores de efecto campo para aplicaciones de alta potencia y alta temperatura. Su principal atractivo radica en la anchura del gap (GaN 3.4 Ev), que le confiere una gran estabilidad térmica y tensión de ruptura (3MV/cm). A pesar de los valores récord obtenidos en transistores de efecto campo basados en AlGaN/GaN, éstos distan mucho aún de los predichos mediante cálculos teóricos. Dos son las razones principales de esta discrepancia, por un lado la calidad del material, y por otro lado, la poca madurez que presenta el procesado tecnológico de fabricación de dispositivos. El principal objetivo de esta Tesis ha sido el crecimiento de nitruros del grup III (GaN y AlxGa1-xN/GaN) por epitaxia de haces moleculares (MBE) asistido por plasma de nitrógeno, utilizando capas de GaN sobre zafiro crecidas por MOVPE como substratos (definidos como pseudosubtratos). Una de las principales dificultades encontradas en la optimización del crecimiento ha sido la reproducibilidad de las condiciones de crecimiento ya que la ventana óptima de temperaturas es muy estrecha (de unos 15ºC). Para conseguir dicha optimización, se ha utilizado una serie de técnicas de caracterización (estructurales, ópticas y eléctricas) que confirman la calidad del material. De estos resultados también se desprende que la calidad cristalina de la capa epitaxiada, así como una tensión biaxial comprensiva residual, es una herencia del pseudosubtrato utilizado. Todo ello demuestra la gran capacidad del sistema de MBE para el crecimiento quasi-homoepitaxial. La caracterización eléctrica de las heteroestructuras de AlGaN/GaN han confirmado la presencia de una canal de electrones bidimensional (2DEG) en la interfase, obteniéndose movilidades Hall de hasta 1021 y 3572 cm2/Vs a 300K y 77K, respectivamente, con una densidad de cargo de 1.8E13 cm-2. Un detallado estudio del transporte electrónico, a distintas temperaturas y densidades de carga del canal, confirma la limitación de la movilidad a altas temperaturas por fonones ópticos polares. A bajas temperaturas, y densidades de carga, la movilidad está limitada por impurezas y dislocaciones, pero al aumentar al carga del canal ganan importancia otros mecanismos como el desorden de aleación y rugosidad de intercaras. Estos últimos se hacen dominantes cuando la densidad de carga supera un valor crítico, el cual depende de la concentración de Al de la barrera. Previo a la obtención del dispositivo ha sido necesario el desarrollo de los diferentes procesos tecnológicos para la fabricación de los transistores HEMT de AlGaN/GaN: aislamiento tipo mesa, obtención de contactos óhmicos (fuente y drenador), y barreras Schottky (puerta). La gran influencia de los contactos óhmicos sobre las características finales del dispositivo ha obligado a la optimización de los mismos, estuadiando distintas metalizaciones y condiciones de aleado. La secuencia óptima de deposición de metales ha sido Ti/Al/Ti/Au (20/100/40/50 mm), aleado a 850º C durante 30 seg. En atmósfera de N2, con la que se ha obtenido valores de Rc de hasta 0.6 -mm en Al0.34Ga0.66N/GaN. En la caracterización de DC de los dispositivos HEMT crecidos por PA-MBE se han obtenido corrientes de hasta 1 A/mm con transconductancias extrínsecas de 165 mS/mm, y 600mA/mm, para transistores con longitud de puerta de 0.6 um. En estos mismos dispositivos la caracterización de pequeña señal en RF ha mostrado valores fmax de hasta 40GHz, y ft de 22GHz. Cabe destacar que no se han observado importantes fenómenos de colapso.