Effect of ZrO2 Dielectric over the DC Characteristics and Leakage Suppression in AlGaN/InGaN/GaN DH MOS-HEMT

Abstract

У роботі вивчаються характеристики транзистора DH MOS-HEMT (Double Heterostructure MetalOxide-Semiconductor High Electron Mobility Transistor) на основі AlGaN/InGaN/GaN при використанні діоксиду цирконію (ZrO2) товщиною 10 нм як діелектрика. Оксидні діелектрики відіграють важливу роль у формуванні двовимірного електронного газу (2DEG). Запропоновано аналітичну модель для оцінки густини зарядів, концентрації носіїв, струму стоку, провідності та ємності затвора. Транзистори DH MOS-HEMTs на основі ZrO2 продемонстрували виняткові характеристики, а саме максимальну густину струму стоку (IDmax) та провідність (gmmax) у порівнянні з транзисторами HEMTs на основі InGaN. Завдяки високоякісній межі розділу між ZrO2 та бар'єрним шаром AlGaN, транзистор MOSHEMT продемонстрував чудові концентрації носіїв та ємності затвора. Також проведено електростатичний аналіз на різних межах розділу та досліджено вплив товщини шару InGaN на покращення 2DEG. Отримані результати винятково узгоджуються з опублікованими експериментальними даними. Включення міцного high-k діелектричного матеріалу, такого як ZrO2, призвело до ефективного пригнічення витоку в діапазоні 10 – 7 мА/мм. Результати показують, що транзистор може бути ефективним рішенням як для потужних комутючих пристроїв, так і для мікрохвильових додатків.

The device performance of AlGaN/InGaN/GaN Double Heterostructure Metal-Oxide-Semiconductor High Electron Mobility Transistor (DH MOS-HEMT) upon using 10 nm thick Zirconium Dioxide (ZrO2) as dielectric is studied here. Oxide dielectrics play an important role in forming Two-Dimensional Electron Gas (2DEG). An analytical model is proposed for evaluating the charge density, carrier concentration, drain current, transconductance, and gate capacitance of the device. ZrO2 based DH MOS-HEMTs display exceptional performances such as maximum drain current density (IDmax) and transconductance (gmmax) in comparison to InGaN based HEMTs. Due to the high-quality 2DEG ace between ZrO2 and the AlGaN barrier layer, the MOS-HEMT demonstrates excellent carrier concentrations and gate capacitances. Also, electrostatic analysis at various interfaces is carried out and the impact of InGaN layer thickness over the 2DEG enhancement is investigated. An exceptional agreement is formed between the experimental results from the literature and the produced outputs. Incorporating a strong high-k dielectric material like ZrO2 results in an effective leakage suppression in the range of 10 – 7 mA/mm. The results show that the device could be a feasible solution for both high-power switching and microwave applications.