HEMT

soportes para Transistor de movilidad de electrón alto, y también se llama FET de la heteroestructura (HFET) o FET modulation-doped (MODFET). Un HEMT es a transistor de efecto de campo incorporar una ensambladura entre dos materiales con diferente boquetes de la venda (es decir. a hetejuntion) como el canal en vez de una región dopada, al igual que generalmente el caso para MOSFETs. Una combinación material de uso general es GaAs con AlGaAs, aunque hay variación amplia, dependiente en el uso del dispositivo. Los dispositivos que incorporan más indio demuestran generalmente un funcionamiento de alta frecuencia mejor, mientras que estos últimos años, nitruro del galio Los HEMTs han visto un aumento masivo en el esfuerzo de la investigación, debido a su funcionamiento de alta potencia.
Para permitir generalmente la conducción, los semiconductores necesitan ser dopados con las impurezas para generar electrones móviles en la capa. Sin embargo, esto hace electrones retrasar porque terminan encima de chocar con las impurezas que fueron utilizadas para generarlas en el primer lugar. El HEMT, sin embargo, es un dispositivo elegante para resolver esta contradicción unsolvable aparentemente inherente.
El HEMT logra esto por medio de los electrones altos de la movilidad generados usando el heterojunction de un n-tipo ancho-bandgap alto-dopado donante-provee la capa (AlGaAs en nuestro ejemplo) y una capa estrecha-bandgap no-dopada del canal sin las impurezas del dopant (GaAs en este caso). Los electrones generados en el n-tipo gota de capa delgada de AlGaAs totalmente en la capa del GaAs para formar una capa agotada de AlGaAs, porque el heterojunction creado por diversos materiales del venda-boquete forma a pozo del quántum (una barranca escarpada) en la venda de conducción en el lado del GaAs de donde los electrones pueden moverse rápidamente sin chocar con cualquier impureza porque la capa del GaAs es undoped, y de cuál no pueden escaparse. El efecto de esto es crear mismo una capa delgada de electrones que conducen altamente móviles con la concentración muy alta, dando el canal muy bajo resistencia (o ponerlo otra manera, "alta movilidad de electrón"). Esta capa se llama a gas de dos dimensiones del electrón. Como con todos los otros tipos de FETs, un voltaje aplicado a la puerta altera la conductividad de esta capa.
Ordinariamente, los dos diversos materiales usados para un heterojunction deben tener igual constante del enrejado (espaciamiento entre los átomos). Como analogía, imagínese el empujar juntos de dos peines plásticos con un espaciamiento levemente diverso. En los intervalos regulares, usted verá dos dientes agrupar junto. En semiconductores, estas discontinuidades son una clase de "trampa", y reducen grandemente funcionamiento del dispositivo.
Un HEMT donde se viola esta regla se llama a pHEMT o pseudomorphic HEMT. Esta hazaña es alcanzada usando extremadamente una capa delgada de uno de los materiales - tan delgadamente que el enrejado cristalino estira simplemente para caber el otro material. Esta técnica permite la construcción de transistores con más grande bandgap diferencias que de otra manera posibles. Esto les da un funcionamiento mejor.
Otra manera de utilizar los materiales de diversas constantes del enrejado es poner una capa del almacenador intermediario entre ellas. Esto se hace en mHEMT o metamórfico HEMT, un adelanto del pHEMT desarrollado estos últimos años. En almacenador intermediario la capa se hace de AlInAs, con indio la concentración calificó de modo que pueda emparejar la constante del enrejado del substrato del GaAs y GaInAs canal. Esto trae la ventaja que prácticamente cualquier concentración del indio en el canal puede ser observada, así que los dispositivos se pueden optimizar para diversos usos (la concentración baja del indio proporciona bajo ruido; la alta concentración del indio da arriba aumento).
Los usos son similares a MESFETs - microonda y onda milimétrica comunicaciones, proyección de imagen, radar, y astronomía de radio - cualquier uso donde el aumento y de poco ruido altos en los de alta frecuencia se requieren. A la hora de la escritura, los HEMTs han demostrado el aumento actual >de 600GHz y el aumento de la energía >a 1THz. (Transistores bipolares del Heterojunction fueron demostrados en las frecuencias del aumento actual sobre 600 gigahertz en abril de 2005.) Las compañías numerosas por todo el mundo desarrollan y fabrican los dispositivos HEMT-basados. Éstos pueden ser transistores discretos pero más generalmente bajo la forma de circuito integrado llamó a MMIC el estar parado para el "circuito integrado monolítico de la microonda". Los dispositivos del HEMT se encuentran en muchos tipos de equipo que se extienden de cellphones y DBS receptores a guerra electrónica sistemas por ejemplo radar y para astronomía de radio.

Jorge Polentino
CI 19769972
EES
http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/HEMT

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GaN transistors

GaN heterostructure field-effect transistors (HFETs) are promising devices for high-power and high-voltage applications, because the electron density in the channel region formed at the heterointerface is very large due to the internal polarization effects, and the band gap of GaN is very large. As one of the application targets, GaN power amplifiers for cellphone base stations are being studied at a lot of universities and companies in te world. However, the target frequency range is less than 10 GHz, and there have been little reports on the study of GaN transistors for higher frequency.   We are working on the development of the GaN HFETs capable of operating in millimeter-wave and submillimeter-wave ranges, especially above the V-band (50-75 GHz). For this research goal, we are studying all material growth, device processing, and device characterization in our group.
	RF-MBE
	X-ray diffraction
GaN transistor features EHigh power DHigh voltage endurance DHig temperature endurance DHigh radiation endurance DLarge amount of resources GaN transistors application in mm-wave range D Car rader (60, 76 GHz) D Car wireless comm. (60, 76 GHz) D Intelligent transportation system, ITS (60, 76 GHz) D Space satellite - Ground comm. (26-40 GHz) D Satellite - Satellite comm.i>30 GHz) D Last-mile comm. (70-100 GHz)
	EB lithographer
	Network analyzer

Latest Research Developments
AlGaN/GaN HFETs with thin and high-Al-content barrier layers The development of faster GaN HFETs are indispensable to the realization of high-speed and high-power ones operating in mm-wave ranges. For this sake, decreasing a gate length to less than 100 nm is one of the most effective ways. However, for a short gate with a length 100 nm, decreasing the thickness of the barrier layer with shortening gate length is also important in maintaining the aspect ratio defined by the gate-channel distance and fabricated gate length high to prevent the effective gate length at the channel interface from increasing. In the case of AlGaN/GaN HFETs, however, there is a large problem that the channel sheet resistance increases since the mobility and electron density decrease when the AlGaN barrier thickness is decreased from 25-30 nm, which is usually used for AlGaN/GaN HFETs, to less than 15 nm.   To overcome these problems, we are focusing on AlGaN/GaN HFET structures with a thin and high-Al-content barrier layers, because the enhanced polarization due to the high-Al-content barrier can compensate for the decrease in electron density with decreasing barrier thickness.   We succeeded in growing high-quality and crack-free Al0.4Ga0.6N/GaN HFET structures by RF-MBE, which have higher-Al content barriers than the usual ones. We consider that RF-MBE is a suitable technique for growing a high-Al-content AlGaN layer, because its growth temperature is generally 200-300 degree C lower than that in MOCVD. We have fabricated AlGaN(8nm)/GaN HFETs, which demonstrated good DC device characteristics; a high transconductance(gm>400 mS/mm), a high maximum current density (Imax=0.83 A/mm). Those devices also showed excellent RF characteristics for the one with the gate length of 1 micron; a short-circuit current-gain cutoff frequency of ft=13.9 GHz and a maximum oscillation frequency of 26.3 GHz.   We are now working on fabricating short-gate devices with a length of less than 100 nm to enhance high-frequency characteristics further.
	I-V curves
	RF small-signal characteristics
	AlGaN barrier thickness dependences of RF and DC characteristics

InAlN/GaN HFET structure For the improvements in the operation power and speed of GaN-based HFETs, decreasing a barrier thickness with increasing an Al composition in barrier is effective to have the large polarization effect. However, it is very difficult to grow an AlGaN layer with an Al composition of larger than 0.5 on GaN coherently, even by RF-MBE, which can grow nitrides at low temperature.   InAlN with Al=0.93 is lattice matched to GaN, thus it is possible to realize InAlN/GaN HFETs with a very large A composition in barrier layers, which can be 0.8-0.9. As a result, larger electron density can be expected for very thin barriers.    We have succeeded in growing high-quality InAlN/GaN HFET structures by RF-MBE and the transistor device operation. This is the first demonstration in the world, to our knowledge. We are now studying to improve the device characteristics by optimizing crystal growth and device processing. InAlN/GaN HFET structure Electron density in AlGaN/GaN HEFTs and in InAlN/GaN HFETs as a function of barrier thickness I-V curves DC transfer characteristics

Jorge Polentino
CI 19769972
EES
http://images.google.co.ve/imgres?imgurl=http://act.nict.go.jp/mwd/image/details/transistor/gan_transistor/gt_9_1.jpg&imgrefurl=http://act.nict.go.jp/mwd/details/transistor/gan_transistor_e.html&usg=__QBmvWCnr4CroUY6uKa6jUxHeOUE=&h=251&w=280&sz=39&hl=es&start=4&itbs=1&tbnid=d38KAjwlqabp_M:&tbnh=102&tbnw=114&prev=/images%3Fq%3DInAlN%26hl%3Des%26gbv%3D2%26tbs%3Disch:1

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Device Processing Improvements in III-Nitrides

We have examined the wet etching of AlN and In(x)Al(1-x)N in KOH solutions as a function of crystal quality, etch temperature and composition. AlN samples prepared by reactive sputtering on Si substrates at -200 deg C were annealed at temperatures from 400 to 1100 deg C and as expected, the etch rate decreased with anneal temperature, indicating improved crystal quality. We found that InAlN on Si substrates had higher wet etch rates. Both AlN and InAlN samples had an increase in etch rate with etch temperature. the etch rate for the InAlN increased as the in composition increased from 0 to 36%, and then decreased to zero for InN. Finally the effect of doping concentration in InAlN samples of similar In concentration (-3%) was examined and much higher etch rates were observed for the heavily doped material at solution temperatures above 60 deg C.


Jorge Polentino
CI 19769972
EES
http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadataPrefix=html&identifier=ADA360823

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AlGaN and InAlGaN epitaxial growth, optical y electrical propierties, and applications

III-nitride wide bandgap semiconductors, with energy band

gap varying from 0.8 eV (InN) to 3.4 eV (GaN) to about

6.2 eV (AlN), have been recognised as technologically important

materials [1–10]. Photonic devices based on

III-nitrides offer benefits including UV/blue emission,

large band offsets of GaN/AlN or InN/AlN heterostructures

allowing novel quantum well (QW) device design, and inherently

high emission efficiencies. Furthermore, electronic

devices based on III-nitride heterostructures, including

heterojunction field effect transistors (HFETs) and bipolar

transistors (HBTs), have great promises in microwave and

millimeter-wave electronic device applications, due to the

high peak electron velocity, high saturation velocity, high

breakdown voltage, low noise, and thermal stability of the

system. III-nitride based optoelectronic and electronic devices

may operate at much higher temperatures and voltages/

power levels for any dimensional configuration and in

harsher environments than other semiconductor devices

and are expected to provide much lower temperature sensitivities,

which are crucial advantages for many applications.

Although tremendous progress has been made for

III-nitrides research and development in terms of both fundamental

understanding as well as devices applications, the

materials we understand relatively well today is just GaN

compound and In (Al) GaN alloys with In (Al) content less

than 30% (50%). InGaN alloys with high In contents

(50%), which emit light in the orange to red colour spectral

range, can be replaced by other semiconductors. However,

AlGaN alloys with high Al contents, covering from 350 nm

to 200 nm, cannot be replaced by any other semiconductor

system due to the fact that no other semiconductors possess

such a large direct bandgap (diamond is 5.4 eV with indirect

bandgap) as well as the ability of bandgap engineering

through the use of III-nitride heterostructures.

There is currently a great need of solid-state ultraviolet

(UV) emitters for detection of chemical and biological

agents as well as for general lighting. In such applications

based on III-nitride wide bandgap semiconductors, conductive

n-type and p-type AlGaN or InAlGaN alloys with high

Al contents are indispensable. The use of high Al-content

AlGaN layer is also expected to increase the overall figure

of merit of the AlGaN/GaN HFETs due to the combined

advantages of enhanced band offset, lattice mismatchinduced

piezoelectric effect, and the electron velocity in the

two dimensional electron gas (2DEG) channel. Thus improving

the material quality of high Al content AlGaN alloys

is also of crucial importance for fabricating high performance

AlGaN/GaN HFETs.

This paper summarises some of the recent advances

made by the authors' group on the growth, characterization

and applications of AlGaN and InAlGaN alloys. It was

shown that the effect of carrier localisation in undoped

AlGaN alloys enhances with increased Al contents and is

related to the insulating nature of AlGaN of high Al contents.

It was also shown that AlxGa1-xN alloys could be

made n-type for x up to 1 (pure AlN). Time-resolved

photoluminescence (PL) studies carried out on these materials

have revealed that Si-doping reduces the effect of carrier

localization in AlxGa1–xN alloys and a sharp drop in

carrier localisation energy as well as a sharp increase in

conductivity occurs when the Si doping concentration increases

to above 1 1018 cm–3. For the Mg-doped

AlxGa1–xN alloys, p-type conduction was achieved for x up

to 0.27. From the Mg acceptor activation energy as a function

of Al content, the resistivity of Mg-doped AlxGa1–xN

with high Al contents can be estimated. For example, the

projected resistivity of AlxGa1–xN (x = 0.45) is around

2.2 104 cm. Thus, alternative methods for acceptor activation

in AlGaN or InAlGaN with high Al contents must

be developed before the high performance deep UV emitters

can be realised.

The optical properties of AlGaN/GaN heterostructures

with high Al content were also studied. Due to the strong piezoelectric

polarisation and deep triangular potential notch

in AlxGa1–xN/GaN (x = 0.5) heterointerface, a total of five

emission lines related with the 2DEG in AlxGa1–xN/ GaN (x

= 0.5) heterostructure have been observed, which correspond

to the recombination between the electrons from different

sub-bands (n = 1 to 5) in the conduction band and the

photoexcited holes in the valence band. The 2DEG PL emission

lines were found to be observable at temperatures as

high as 220 K, in sharp contrast to the AlGaAs/GaAs

heterostructures system in which the 2DEG emission lines

were observable only at low temperatures (T <20 K).

Optoelectronic properties of InAlGaN quaternary alloys

were studied. It was observed that the dominant optical

transition at low temperatures in InxAlyGa1–xN quaternary

alloys was due to localized exciton recombination, while

the localisation effects in InxAlyGa1–xN quaternary alloys

were combined from those of InGaN and AlGaN ternary

alloys with comparable In and Al compositions. Our studies

have revealed that InxAlyGa1–xN quaternary alloys with

lattice matched with GaN epilayers (y ~4.8x) have the highest

optical quality. The quantum efficiency of

InxAlyGa1–xN quaternary alloys was also enhanced significantly

over AlGaN alloys with a comparable Al content. It

was also found that the responsivity of the InxAlyGa1–x–yN

quaternary alloy photodetectors exceeded that of AlGaN alloy

of comparable cut-off wavelength by a factor of five.

The AlGaN ternary and InAlGaN quaternary were incorporated

into UV (340 nm) emitter structures. The operation of

340 nm micro-size UV emitters have been demonstrated.

AlN epilayers with high optical qualities have also been

grown on sapphire substrates. Very efficient band-edge PL

emission lines have been observed for the first time with

above bandgap deep UV laser excitation. We have shown

that the thermal quenching of the PL emission intensity is

much less severe in AlN than in GaN and the optical quality

of AlN can be as good as GaN.

Jorge Polentino
CI 19769972
EES
http://www.wat.edu.pl/review/optor/10(4)271.pdf

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ESTRUCTURAS BASADAS EN NANOHILOS DE NITRURO DE GALIO

En esto consiste una de las aplicaciones nanotecnológicas del GaN, ya que, en determinadas condiciones de crecimiento, pueden obtenerse nanohilos autoensamblados de diámetros reducidos, con una alta cristalinidad. Éstos pueden utilizarse en la fabricación de láseres, dispositivos emisores de luz o cristales fotónicos

                                                       
                                    Figura 2

Las columnas que se obtienen están libres de dislocaciones y presentan una eficiencia de extracción de luz bastante buena (los picos de fotoluminiscencia que aparecen son más intensos que en el caso del GaN crecido de forma convencional). Cuando se utilizan pozos cuánticos múltiples de InGaN/GaN embebidos en los nanohilos, los pozos de InGaN quedan encerrados entre las barreras de GaN, estando los alrededores del hilo rodeados por aire. Esto hace que se cree la estructura de disco cuántico.

Recientemente, se han fabricado LEDs basados en nanohilos InGaN/GaN con pozos cuánticos múltiples de InGaN [1]. Estos dispositivos son capaces de emitir a temperatura ambiente desde el rojo hasta el azul, pero en general lo que se observa en estas estructuras es que emiten en múltiples colores. La nucleación cristalina aleatoria y espontánea en el estadio inicial de crecimiento de las nanocolumnas introduce fluctuaciones tanto en la composición como en el tamaño, y esto queda reflejado en la emisión multicolor que se observa. Para evitarla y poder seleccionar un color de emisión concreto, se hace necesario homogeneizar tanto la composición como el tamaño de las nanoestructuras.

Esta homogeneización puede conseguirse con un crecimiento selectivo de los nanohilos de nitruro de galio [2]. Para ello, se pueden utilizar nanopuntos nitrurados de aluminio sobre sustratos de silicio (111) que actúen como centros de nucleación para el GaN. Este último se crece mediante el procedimiento de epitaxia de haces moleculares asistida por plasma generado por radiofrecuencia (rf-MBE), obteniendo estructuras tubulares tanto en el sustrato de silicio como alrededor de los nanopuntos de AlN. La desviación del grosor de la pared del tubo que crece a partir de los nanopatrones de aluminio es menor que el diámetro de las nanocolumnas que crecen sobre el propio sustrato de silicio. Es más, si se elige adecuadamente la temperatura de deposición, se puede inhibir el crecimiento del GaN sobre el sustrato, de forma que los nanohilos crecen únicamente en las zonas donde se hayan depositado los nanopuntos de AlN (figura 3: [2]).

                 

JORGE POLENTINO
CI 19769972
EES
http://blogs.creamoselfuturo.com/nano-tecnologia/2008/03/

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Group III nitride crystal, crystal growth process and crystal growth apparatus of group III nitride

 A crystal growth method of a group III nitride, comprising the steps of: forming a melt mixture of an alkali metal and a group III element in a reaction vessel; andgrowing a crystal of a group III nitride formed of said group III element and nitrogen from said melt mixture in said reaction vessel, said step of growing said crystal of said group III nitride being conducted while controlling an increase rate ofdegree of supersaturation of a group III nitride component in said melt mixture in a surface region in the vicinity of a surface of said melt mixture, thereby suppressing formation of a polycrystalline aggregate on said surface region.
2. The method as claimed in claim 1, wherein said group III nitride is grown at said surface region of said melt mixture.
3. The method as claimed in claim 1, wherein said control of said change rate of degree of supersaturation of said group III nitride component is conducted by controlling a rate of increase of nitrogen concentration in said melt mixture in saidsurface region of the said melt mixture.
4. The method as claimed in claim 1, wherein said step of growing said crystal of said group lii nitride comprises the step of introducing a substance containing nitrogen into said reaction vessel in the form of a gas, said step of controllingthe degree of supersaturation being conducted by conducting a step of controlling an increase rate of nitrogen concentration in said melt mixture in said surface region of said melt mixture, said step of controlling said increase rate of nitrogenconcentration in said melt mixture being conducted by controlling a pressure of said substance containing nitrogen.
5. The method as claimed in claim 4, wherein said substance containing nitrogen is introduced into said reaction vessel after a temperature of said melt mixture has reached a specified crystal growth temperature for causing crystal growth ofsaid group III nitride, such that the pressure of said substance containing nitrogen is increased with a controlled rate during a growth of said group III nitride.
6. The method as claimed in claim 4, wherein said pressure of said substance containing nitrogen is held constant at the moment said group III nitride starts to crystallize.
7. The method as claimed in claim 1, wherein said step of growing said crystal of said group III nitride comprises the step of introducing a gas of a substance containing nitrogen into said reaction vessel at a temperature in which crystalgrowth of said group III nitride is caused, said step of introducing said gas being conducted such that a temperature of said melt mixture in said surface region is controlled at the time when said gas is introduced.
8. The method as claimed in claim 7, wherein said gas is introduced into said reaction vessel with a controlled supply rate.
9. The method as claimed in claim 7, wherein said gas is introduced into said reaction vessel with a controlled temperature.
10. The method as claimed in claim 1, wherein said step of growing said crystal of said group III nitride is conducted such that said crystal forms a plate-like crystal.
11. The method as claimed in claim 1, wherein said step of growing said crystal of said group III nitride is conducted such that said. crystal forms a columnar crystal.
12. The method as claimed in claim 1, wherein said group III nitride is grown from a seed crystal.
13. The method as claimed in claim 1, wherein said group III nitride crystal is grown in the vicinity of a surface of said melt mixture.
14. A crystal growth method of a group III nitride, comprising the steps of: forming a melt mixture of an alkali metal and a group III element in a reaction vessel; and growing a crystal of a group III nitride formed of said group III elementand nitrogen from said melt mixture in said reaction vessel, said step of growing said crystal of said group III nitride being conducted while controlling a ratio of said alkali metal and said group III element in said melt mixture, thereby suppressingformation of a polycrystalline aggregate on said surface region.
15. The method as claimed in claim 14, wherein said step of growing said crystal of said group III nitride is conducted such that said crystal forms a plate-like crystal.
16. The method as claimed in claim 14, wherein said step of growing said crystal of said group III nitride is conducted such that said crystal forms a columnar crystal.
17. The method as claimed in claim 14, wherein said group III nitride is grown from a seed crystal.
18. The method as claimed in claim 14, wherein said group III nitride crystal is grown in the vicinity of said melt mixture surface.
19. A crystal growth method of a group III nitride formed of a group III element and nitrogen, comprising the steps of: forming a melt mixture in a reaction vessel from an alkali metal and a substance containing said group III element; andgrowing a crystal of said group III nitride in said reaction vessel from said melt mixture and a substance containing at least nitrogen, said step of growing said crystal being conducted by increasing a pressure of said substance containing nitrogen withincrease of temperature of said melt mixture in said reaction vessel, thereby suppressing formation of a polycrystalline aggregate on said surface region.
20. The method as claimed in claim 19, wherein said pressure of said substance containing nitrogen is increased by introducing said substance containing nitrogen into said reaction vessel from outside of said reaction vessel in accordance withincrease of said temperature of said melt mixture.
21. The methood as claimed in claim 19, wherein said pressure of said substance containing nitrogen is increased by introducing said substance containing nitrogen and further an inert gas into said reaction vessel from outside of said reactionvessel in accordance with increase of said temperature of said melt mixture.
22. The method as claimed in claim 19, wherein said step of growing said crystal of said group III nitride comprises the steps of sealing said reaction vessel after introducing said substance containing nitrogen into said reaction vessel andincreasing said temperature of said melt mixture to a predetermined crystal growth temperature.
23. The method as claimed in claim 22, wherein said step of sealing said reaction vessel is conducted when said substance containing nitrogen is introduced into said reaction vessel with such an amount that a partial pressure of said substancecontaining nitrogen reaches a predetermined partial pressure when said temperature of said melt mixture has reached said predetermined crystal growth temperature.
24. The method as claimed in claim 19, wherein said step of growing said crystal comprises the steps of sealing said reaction vessel after introducing said substance containing nitrogen and an inert gas into said reaction vessel and increasingsaid temperature of said melt mixture to said predetermined crystal growth temperature.
25. The method as claimed in claim 24, wherein said step of sealing said reaction vessel is conducted when said substance containing nitrogen and said inert gas are introduced into said reaction vessel with such an amount that a partialpressure of said substance containing nitrogen and a partial pressure of said inert gas reach respective predetermined pressure values when said temperature of said melt mixture has reached said predetermined crystal growth temperature.
26. The method as claimed in claim 19, wherein said step of growing said crystal being conducted such that said crystal forms a plate-like crystal.
27. The method as claimed in claim 19, wherein said step of growing said crystal being conducted such that said crystal forms a columnar crystal.
28. The method as claimed in claim 19, wherein said step of growing said crystal is conducted by using a seed crystal.
29. The method as claimed in claim 19, wherein said group III nitride crystal is formed in the vicinity of a surface of said melt mixture

Jorge Polentino
CI19769972
http://www.patents.com/group-iii-nitride-crystal-crystal-growth-process-crystal-growth-apparatus-group-iii-nitride-7220311.html
EES

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Crecimiento de capas delgadas del politipo cúbico de InN

El interés en el compuesto estequiométrico de nitruro de indio (InN) ha aumentado notablemente en los últimos años, ya que de entre todos los nitruros semiconductores del grupo III (III-Ns), éste es el que muestra el valor más alto de movilidad electrónica y el más bajo en su ancho de banda prohibida. Estas propiedades atractivas no sólo pueden ser aprovechadas para fabricar dispositivos opto- y microelectrónicos que operen a altas velocidades o en el rango óptico del infrarrojo cercano (por ejemplo en transistores de alta frecuencia o emisores y detectores IR); sino que la optimización del crecimiento de InN ayudará a controlar la fabricación de aleaciones ternarias y cuaternarias de nitruros de galio y/o aluminio con alto contenido de indio: (AlGa)InN. De esta forma se podrán fabricar dispositivos ópticos que actúen en todo el rango visible de frecuencias.

Hasta el momento la fase hexagonal (wurtzita) del InN ha sido la más investigada ya que es la variedad termodinámicamente estable. No obstante, el InN de estructura cúbica (c-InN, zinc-blenda) está empezando a ser considerado por la comunidad científica. La fase cúbica posee una isotropía inherente a su estructura que le dota de una conducción electrónica superior a la de la hexagonal. El crecimiento de grandes volúmenes de este politipo cúbico con una buena calidad cristalina es actualmente un desafío, sobre todo porque sumado al hecho de su inestabilidad química, ocurre que no existen sustratos adecuados para su deposición. De hecho, los pocos intentos que ha habido para fabricar este material se tradujeron en pequeños volúmenes con una alta densidad de defectos estructurales y mezclados con dominios de InN hexagonal.

En este trabajo se presenta una ruta adecuada para sintetizar capas heteroepitaxiales de c-InN sobre uno de los sustratos más usuales y baratos disponibles en el mercado, las obleas de zafiro dispuestas en superficie (0001). El éxito de estos experimentos reside en la disposición de capas intermedias de óxido de indio en su politipo cúbico centrado en el cuerpo (bcc-In203) entre el safiro y el InN el In2 O3 se fabrica con descomposicion quimica de valores y epitaxia mediante haces moleculares

El estudio de la estructura cristalina, la presencia de defectos estructurales ocasionales y el análisis de las intercaras se realizó mediante difracción de electrones, difracción de rayos X y microscopía electrónica de alta resolución. Con estas técnicas se halló la siguiente relación entre planos cristalográficos: c-InN(001)//bcc-In_{2O3(001)//Al2O3(0001). Se sugiere que la estabilización del InN cúbico es debida a que la disposición atómica del In2O3 ofrece un patrón de simetría cuadrada exclusivo de estructuras cúbicas. Además, el bajo desajuste reticular medido entre las dos capas cúbicas (1,6%) provee al sistema de una baja energía durante el crecimiento, por lo que no se entorpece la replicación de la estructura dispuesta en capas atómicas inferiores.}

Jorge Polentino

CI 19769972

EES

http://www.mondragon.edu/CNM08/Abstract/236.pdf

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Tecnología de transistores de microondas basados en Nitruro de Galio (GaN) para aplicaciones Radar

El siguiente artículo estudia las características de los principales materiales utilizados en la actualidad para la fabricación de transistores de microondas como son Silicio (Si), Arseniuro de Galio (GaAs), Carburo de Silicio (SiC) y Nitruro de Galio (GaN) y describe como condicionan la operación del transistor cuando se requieren potencias de salida altas, del orden de cientos y miles de vatios, habitualmente las necesarias en aplicaciones Radar.
Se mostrará como los transistores de microondas fabricados con GaN son adecuados para aplicaciones de alta potencia debido a las superiores propiedades físicas y químicas de estos semiconductores. Si además añadimos las modernas técnicas de polarización de alta eficiencia, los transistores fabricados con la tecnología de Nitruro de Galio se perfilan como los candidatos idóneos para ser utilizados en los transmisores de sistemas Radar. La gran mayoría de los transmisores Radar requieren dispositivos activos que puedan generar una potencia de salida de RF del orden de kilovatios e incluso de megavatios. Habitualmente se utilizan para estas aplicaciones dispositivos basados en  tubos de ondas progresivas. Sin embargo, estos dispositivos son voluminosos, caros y pueden tener problemas de fiabilidad. Aunque los amplificadores basados en semiconductores tienen a priori más eficiencia, han estado hasta ahora limitados por el voltaje que se podía aplicar al dispositivo debido al crítico campo de ruptura inherente a estos materiales, lo que hace que se requiera una corriente muy alta y también un mayor tamaño. Trabajar con una corriente de operación alta disminuye la eficiencia debido a las pérdidas y al hecho de que los dispositivos de gran tamaño presentan una alta capacitancia y muy baja impedancia limitando así la frecuencia de operación y el ancho de banda [1]. La tecnología de GaN es ahora capaz de ofrecer una solución a este problema.
Los amplificadores de estado sólido están ya reemplazando a los de tubos de ondas progresivas (TWTA, Traveling Wave Tube Amplifiers) en algunas aplicaciones de microondas de alta potencia. Sin embargo, las bajas tensiones de operación hacen que el circuito asociado sea muy grande lo que implica un dispositivo más complejo a la vez que reduce el yield de producción y la fiabilidad.  Las tecnologías de semiconductores de banda prohibida ancha (WBG, Wide Band Gap) como el GaN pueden alcanzar densidades de potencia cinco veces mayores que las de los transistores convencionales de GaAs tanto de efecto de campo como bipolares de heterounión. La ventaja final es la reducción de la complejidad del circuito, mayor ganancia y eficiencia, y también una mayor fiabilidad. En particular, los sistemas Radar se beneficiarán del desarrollo de esta tecnología.

El GaN es el futuro
El desarrollo de semiconductores de banda prohibida ancha, tales como el GaN o aleaciones basadas en GaN, ofrece la posibilidad de fabricar dispositivos activos de RF, especialmente transistores de potencia HEMT (High Electron Mobility Transistor), con una potencia de salida significativamente mayor. Esta mejora en la potencia de salida de RF se debe a las especiales propiedades de este material, de entre otras destacan: alto campo de ruptura, elevado valor de saturación de la EDV (velocidad de Drift de los electrones) y cuando se utilizan sustratos de SiC, mayor conductividad térmica. Los datos mostrados en la Tabla 1 [2] permiten comparar los materiales Si, GaAs, SiC y GaN. La mayor conductividad térmica del SiC y del GaN reduce el aumento de temperatura de la unión debido al autocalentamiento. El campo de ruptura de cinco a seis veces mayor del SiC y del GaN da ventaja a estos materiales frente al Si y el GaAs para dispositivos de potencia de RF  [2]. El SiC es un material de banda prohibida ancha (3.2eV) pero tiene una movilidad de electrones baja, lo cual dificulta su uso en amplificadores de alta frecuencia. El SiC está también limitado porque las obleas de este material son caras, pequeñas y de baja calidad.

Aunque la movilidad de los portadores es significativamente mejor en los dispositivos de GaAs, la alta velocidad de pico y de saturación de la EDV de los HEMT de GaN compensa su relativa menor movilidad permitiendo su utilización a altas frecuencias. Estas ventajas del GaN sumadas a la alta linealidad y al bajo ruido de las arquitecturas HEMT abren las puertas a estos dispositivos para su utilización en la fabricación de amplificadores Radar de alta potencia.
Una ventaja adicional de los HEMT de GaN radica en el gran offset de energía entre la banda de conducción del GaN y la capa barrera de AlGaN. Esto permite un aumento significativo de la densidad de portadores en el canal en los HEMT basados en GaN con respecto a otros materiales (hasta 1013cm-2 y más). Si sumamos la posibilidad de utilizar un mayor voltaje conseguimos un aumento en la densidad de potencia. La densidad de potencia es un parámetro muy importante para los dispositivos de alta potencia ya que cuanto mayor es menor es el tamaño del dado y más sencillas son adaptaciones de entrada y salida. En la Figura 1 se muestra el rápido progreso de la densidad de potencia de RF frente al tiempo para un FET (Field-Effect Transistor) de GaN en Banda X.
Los altos voltajes de operación y las altas densidades de potencia que se alcanzan con los dispositivos de RF de banda prohibida ancha ofrecen muchas ventajas en el diseño, fabricación y montaje de amplificadores de potencia en comparación con las tecnologías de LDMOS (Lateral Double-Difusse MOS) de Silicio o la de
MESFET (Metal Epitaxial Semicon-ductor Field Effect Transistor) de GaAs. La tecnología HEMT de GaN ofrece una alta potencia por ancho de canal unitario, lo cual se traduce en dispositivos más económicos y de menor tamaño para la misma potencia de salida, esto no sólo hace  que sean más fáciles de fabricar sino que aumenta la impedancia de los dispositivos. El alto voltaje de operación que se consigue con la tecnología de GaN elimina la necesidad de convertidores de tensión y por consiguiente reduce también el coste final del sistema.

El camino está claro
La Figura 2 [2] muestra una gráfica de la potencia de salida frente a la frecuencia para los dispositivos de estado sólido y tubos de microondas que constituyen el actual estado del arte.

Históricamente, lo amplificadores de tubo, tales como los controlados por rejillas, magnetrones, kystrones, tubos de onda progresiva y amplificadores de campos cruzados (CFA, Cross Field Amplifier) han sido usados como amplificadores de potencia en los transmisores Radar. Estos amplificadores generan alta potencia pero habitualmente trabajan con ciclos de trabajo (duty cicle) bajos. Los amplificadores de Klystron ofrecen mayor potencia que los magnetrones a frecuencias de microondas y también permiten el uso de formas de onda más complejas. Los tubos de onda progresiva son similares a los klystrones pero con mayores anchos de banda. Los CFA se caracterizan por tener grandes anchos de banda, poca ganancia y ser compactos.
Los amplificadores de potencia de estado sólido (SSPA, Solid State Power Amplifier) soportan pulsos largos y formas de onda con altos ciclos de actividad. A pesar de que los elementos utilizados en los SSPA tienen individualmente poca amplificación de potencia pueden combinarse para conseguirla. Los transistores bipolares de Silicio, los MESFET de Arseniuro de Galio y los PHEMT (Pseudomorphic HEMT) de Arseniuro de Galio son algunos de los elementos utilizados en los SSPA. Los HEMT de GaN pueden ser combinados para crear un SSPA con una potencia media de salida mayor y por consiguiente un mayor rango de detección del Radar.
Como se puede ver en la Figura 2, los transistores de estado sólido producen niveles de potencia de RF menores de 200 vatios en Banda S y su salida va decreciendo a medida que aumentamos la frecuencia [1]. La potencia de salida de RF de los FETs de GaAs se acerca a los 50 vatios en banda S y a aproximadamente a 1 vatio en banda Ka1. Los FETs de GaAs tienen una la potencia de salida limitada principalmente por la baja tensión de ruptura del drenador1. Los dispositivos semiconductores fabricados con materiales de mayor banda prohibida, tales como el GaN, ofrecen unas prestaciones significativamente mejores.
Con el paso del tiempo han ido apareciendo diferentes figuras de mérito que permiten evaluar los distintos semiconductores con potencial para ser utilizados en aplicaciones que requieren alta potencia a altas frecuencias de trabajo. Mediante estas figuras de mérito se pretende aunar las propiedades más relevantes de los materiales en un valor cualitativo. Así la figura de mérito de Johnson (JFOM = ECR vsat/p) tiene en cuenta el campo de ruptura ECR y la saturación de la EDV Vsat. Como puede verse en la Figura 3 [3], la figura de mérito de Johnson para el GaN es por lo menos 15 veces la del GaAs.
Aethercomm cree que si la tendencia de crecimiento del GaN se mantiene al ritmo actual, el comportamiento previsto para los HEMT de GAN en el año 2010 será el representado en la Figura 4. El GaN pronto superará a todos sus competidores.

La eficiencia es la clave
Los sistemas Radar más modernos utilizados en aplicaciones militares demandan nuevos requerimientos para los amplificadores de potencia de RF debido a la necesidad de reducir el tamaño, peso y coste. Los mayores cambios en las especificaciones se centran cada vez más en mejorar la eficiencia del amplificador para reducir los requerimientos de potencia DC y mejorar la fiabilidad del sistema a través de una menor disipación de potencia del componente. Los dispositivos de microondas basados en tecnologías de banda prohibida ancha y alta eficiencia permitirán además aumentar las prestaciones del sistema.

La capacitancia parásita y el alto voltaje de ruptura de los HEMT de GaN les hace ideales para funcionar en modos de amplificación de alta eficiencia clase E y clase F. Ambos modos tienen una eficiencia teórica del 100 %. Recientemente, algunos fabricantes de transistores de GaN han implementado amplificadores híbridos de clase E. Resultados típicos obtenidos son 10 vatios de potencia de salida en banda L con eficiencias comprendidas entre el 80% y 90%.
Aethercomm ha entregado recientemente un módulo amplificador de clase F para Banda L. La potencia de salida deseada debía superar los 50 vatios con una eficiencia del 60% para todo el amplificador. Debido a los plazos tan ajustados del programa fue necesario utilizar transistores estándar encapsulados en lugar de desarrollar una solución híbrida a medida.
La etapa final del amplificador de potencia se implementó utilizando un par balanceado de HEMT encapsulados de GaN trabajando en clase F. Las redes de adaptación incluyendo las terminaciones armónicas necesarias para la operación en clase F fueron diseñadas considerando inicialmente un modelo ideal del transistor. A continuación se introdujeron las inductancias y las capacitancias parásitas del encapsulado del transistor y se modificaron las redes de adaptación para mantener las terminaciones armónicas requeridas a nivel del transistor en dado. Posteriormente se simuló el amplificador utilizando un modelo no lineal del transistor y se modificaron las redes de adaptación para optimizar eficiencia y potencia.
Se construyó un prototipo en configuración single-ended para la etapa de salida de clase F. Se obtuvo una eficiencia de drenador del 75%, una potencia de salida de 40 vatios y una ganancia de 16 dB con un ajuste mínimo. Los resultados fueron muy similares a los obtenidos en la simulación. No había disponibles dispositivos de GaN de baja potencia adecuados para la etapa de driver, se diseñó uno de tres etapas utilizando MESFET de GaAs que trabajaban en clase A. Inicialmente se creía que las etapas del driver deberían haber trabajado en un modo de alta eficiencia para así alcanzar la PAE (Power Added Efficiency) requerida; sin embargo, los análisis indicaron que con un dimensionado adecuado de los transistores la operación en clase A era permisible.  El driver tuvo una ganancia de 40 dB y un consumo de potencia de 10 vatios.
La configuración final del amplificador de potencia tuvo una PAE de pico del 63% y una potencia de salida de 75 vatios. El amplificador tenía una potencia de salida de 65 vatios y un 61% de PAE a P2dB. La Tabla 2 muestra las características del amplificador para distintos valores de potencia de salida. Debido a que la etapa final de clase F está polarizada en el umbral, sin corriente de drenador, el amplificador ofrece un amplio rango de funcionamiento para potencias bajas. La ganancia del amplificador alcanza un pico y después comienza a comprimirse cuando se alcanza la máxima potencia de salida. La Tabla 2 muestra la eficiencia de este diseño para distintas potencias de salida.
Aethercomm también ha desarrollado un dispositivo HEMT de GaN de 200 vatios sobre sustrato de SiC diseñado para maximizar la PAE y mantener una alta potencia de salida para una frecuencia de operación de 1215 MHz a 1390 MHz.  Se observaron eficiencias mayores del 56% mientras se mantenía niveles de potencia de salida en exceso de 205 vatios de P3dB.
Muchos SSPA para aplicaciones Radar son diseñados con dispositivos semiconductores de RF configurados para trabajar en clase C. Esta forma de polarización proporciona una operación muy eficiente para una etapa de un único transistor, sin embargo, el transistor de clase C tiene una ganancia tan baja, típicamente 6 dB, que la ventaja ganada en la eficiencia se pierde al necesitarse muchas etapas adicionales de ganancia para alcanzar la potencia deseada de salida.

Conclusión
Los futuros sistemas Radar tales como los basados Radar de phase-array activo requerirán de forma creciente SSPA cada vez más eficientes y pequeños. El deseo de lograr barridos extremadamente rápidos, rangos de detección mayores, la posibilidad de localizar y seguir un gran número de objetivos, una baja probabilidad de ser interceptado y la posibilidad de funcionar como un inhibidor requerirán una tecnología de transistores innovadora y rentable. Recientes desarrollos en el campo de los HEMT de GaN han hecho posible diseñar amplificadores de una gran eficiencia a frecuencias de microondas. Los dispositivos HEMT de GaN proporcionan una alta corriente de pico con una baja capacitancia de salida así como un voltaje de ruptura y una densidad de potencia extremadamente alta. Esta combinación única de características permite a los diseñadores conseguir amplificadores con unas prestaciones en conjunto muy superiores a las logradas con dispositivos basados en las tecnologías alternativas existentes en la actualidad.

Jorge Polentino
CI 19769972
EES
http://www.conectronica.com/componentes-rf/tecnologia-de-transistores-de-microondas-basados-en-nitruro-de-galio-gan-para-aplicaciones-radar

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PELÍCULAS DELGADAS NANOESTRUCTURADAS DE NITRURO DE ALUMINIO DEPOSITADAS POR ABLACIÓN LÁSER

En los últimos años se ha realizado un esfuerzo importante en la búsqueda de nuevos materiales con estructuras cada vez más complejas, que presenten a  la vez propiedades de conducción iónica y electrónica. Este tipo de materiales tienen aplicaciones en campos importantes de la tecnología como componentes de diversos dispositivos optoelectrónicos. De entre los nuevos materiales estudiados se destacan los óxidos metálicos, en este tipo de compuestos no existe todavía un conocimiento profundo de los mecanismos de transporte de carga, por lo que se hace necesario un estudio fundamental en muestras de gran calidad cristalina. Por sus propiedades físicas y químicas, el nitruro de aluminio (AlN), es un material muy versátil, posee una gran variedad de aplicaciones en el área de electrónica y optoelectrónica. El nitruro de aluminio cristaliza en el sistema hexagonal, con una estructura de tipo wurtzita caracterizada por sus constantes de red a y c). El nitruro de aluminio es el material de banda más ancha (Eg = 6.2 eV a temperatura ambiente) que es considerado un semiconductor del grupo III-V , lo que le confiere propiedades luminiscentes, una dureza alta (2x103 kgf mm-2), una temperatura de fusión alta (2400ºC), así como una velocidad acústica alta (5760 m/s) .Como película policristalina orientada en el eje c, el AlN se puede implementar como componente en sensores ópticos en el rango de ultra violeta (UV), así como en dispositivos óptico-acústicos

Se crecieron nueve conjuntos de películas de AlN por el método de Deposición por Láser Pulsado desde un blanco de Al en un ambiente de nitrógeno. La deposición se llevó a cabo sistema de vacío que consiste en una cámara de vacío, una bomba mecánica seca modelo ACP 28 con una velocidad de evacuación de 140 l/s y una bomba turbomolecular (280 l/s de velocidad de bombeo). Las películas se crecieron en una atmosfera de Nitrógeno (99.99% de pureza), cuya presión se varió entre 0.39Pa y 1.46 Pa. Como material del blanco se utilizó un disco de aluminio (1" de diámetro, 0.123" de espesor, 99.9% de pureza). El blanco se hizo girar a una frecuencia de 2.2 Hz para evitar la formación de grandes cráteres y alcanzar una buena uniformidad en la deposición. La distancia blancosubstrato Como substrato se utilizaron obleas de Nitruro de Silicio (N3Si4) con orientación (100) y portaobjetos de vidrio. Para la limpieza de los substratos se sumergieron en baño de acetona y se limpiaron con ultrasonido antes de colocarse en la cámara. Dichos

substratos se calentaron a 25ºC. Para el estudio de la nanoestructura y la morfología de las películas de nitruro de aluminio se utilizo difracción de rayos X (DRX) y microscopia electrónica de barrido (SEM). Además se utilizó Espectroscopia de infrarrojos por

transformada de Fourier FT-IR en el infrarrojo, pues con esta medimos las vibraciones dominantes de grupos funcionales y enlaces muy polares. fue de 5,4 cm. Se utilizó para la ablación un láser Nd:YAG modelo INDI-30 Spectra Physics (longitud de onda 1064 nm, energía 500 mJ y ancho de pulso 7 ns), el haz del láser impacta al blanco en un ángulo 45°. La figura 1 muestra un esquema del

montaje experimental. La fluencia del láser se obtuvo enfocando y desenfocando el haz del láser en el blanco mediante una lente de vidrio (con distancia focal de 24.5cm), la cual se mantuvo constante a 7 J/cm2, obteniendo una mayor fluencia con el láser enfocado en el área más pequeña posible del blanco.

Se fabricaron películas delgadas nanoestructuradas de nitruro de aluminio (AlN) por medio de la técnica de deposición por láser pulsado. Se encontró que el crecimiento sobre portamuestra de vidrio como sustrato no es bueno, debido a que no hay una buena adherencia. Debido a las condiciones de depósito, las muestras presentan un crecimiento policristalino, pues presentan microestructura hexagonal o cúbica para las películas crecidas en Si3N4 (100), en el caso de las crecidas en portamuestra de vidrio no presentan

una orientación lo cual se esperaba. Para el juego de películas en el que no se presento una orientación preferente se atribuye a la presencia de oxígeno pues puede inducir un crecimiento amorfo de la película delgada al formarse capas de óxido de aluminio. Se pensaría en cambiar las condiciones de crecimiento variando la concentración de nitrógeno como ambiente de crecimiento y la temperatura del sustrato, pues el oxígeno compite con el nitrógeno en términos  energéticos para enlazarse al aluminio durante el

proceso de depósito. Igualmente se observa que el sustrato de Si3N4 tiende a formar oxinitruros cuando el ambiente de trabajo es rico en nitrógeno, pues tienen tendencia a formar pequeñas cantidades de óxido de silicio Si3N4 amorfo conteniendo una concentración de oxígeno dependiente de los parámetros de crecimiento.

Jorge Polentino

CI 19769972

EES

http://rlmm.mt.usb.ve/S01/N3/RLMMArt-09S01N3-p1065.pdf

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