طراحي و شبيه‌سازي ديود اثرميداني با تحرك الكتروني بالا مبتني بر AlGaN/GaN

Design and Simulation of AlGaN/GaN High Electron Mobility Field-Effect Diode

طراحان سيستم روي تراشه‌هاي جديد سعي در گنجاندن ملزومات بيشتري در طراحي بلوك‌هاي ساختاري دارند تا مدارهاي مجتمع ديجيتالي قابل اطمينان با چگالي بالا، سرعت كليدزني بالا و توان مصرفي پائين ارائه دهند. در اين مقاله، افزاره جديدي به‌نام ديود اثر ميداني با تحرك الكتروني بالا (HEMFED) بر پايه AlGaN/GaN با موفقيت طراحي شده است. به منظور جلوگيري از نشت لايه بافر GaN و كاهش تأثير مخرب تله‌هاي اين لايه بر روي رفتار انتقالي گاز الكترون دو بعدي (2-DEG)، يك لايه جداساز AlN در ساختار ناهمگون به كار رفته است. ساختار پيشنهادي، نسبت جريان روشن به خاموش (ION/IOFF) را تا 107×4/88 برابر نسبت به همتاي ترانزيستور با تحرك الكتروني بالا (HEMT) بر پايه AlGaN/GaN، 108×8/20 برابر نسبت به همتاي ترانزيستور اثر ميداني فلز-اكسيد-نيمه‌هادي (MOSFET)، و 104×9/05 برابر نسبت به همتاي ديود اثر ميداني (FED) بر پايه Si در ولتاژ تغذيه V 1/8 بهبود مي‌دهد. اين برتري ناشي از برقراري يك ميدان الكتريكي قوي به ميزان kV/cm 800 در ناحيه 2-DEG ساختار ناهمگون پيشنهادي وتسريع حركت حامل‌هاي الكترون صفحه‌اي در كانال مي‌باشد. از اين‌رو، اين افزاره در كاربردهاي ديجيتالي سرعت بالا و توان مصرفي پايين قابليت استفاده دارد.

Modern system-on-chip (SoC) designers are trying to include more considerations in designing building blocks to present reliable integrated digital circuits as well as high-density, high-speed, and low-power ones. In this paper, an innovative device so-called High Electron Mobility Field-Effect Diode (HEMFED) is successfully designed based on AlGaN/GaN. To prohibit leakage of GaN buffer layer and weaken the impact of the buffer traps on electrical transport properties of two-dimensional electron gas (2-DEG), AlN spacer layer is embedded in the heterostructure. The proposed structure enhances ION/IOFF ratio up to 4.88×107 times compared to the AlGaN/GaN High Electron Mobility Field-Effect Transistor (HEMT) counterpart, 8.20×108 times compared to the Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) counterpart, and 9.05×104 times compared to the Si Field-Effect Diode (FED) counterpart, at a supply voltage of VDD=1.8 V. This superiority of the proposed device is referred to the formation of a strong electric field of 800 kV/cm in 2-DEEG and the precipitation of electron sheet carriers in the channel. Accordingly, the proposed device can be utilized in high-speed and low-power digital applications.