2DEG alapú szelektív frekvenciaérzékelő rendszer fejlesztése
A mikroelektronika a mai napig egy folyamatosan fejlődő iparág, ami különböző félvezető anyagokra épül. Legnépszerűbb félvezető anyag az iparban a szilícium, de mellette ma már használnak más alternatívákat is, mint a vegyületfélvezetők. A vegyületfélvezetők néhány elektromos, mechanikai és kémiai tulajdonságukban jelentős eltérést mutatnak a szilíciumhoz képest, mint például a belőlük készült eszközöknek gyorsabb a kapcsolása, és nagyobb hatékonysága [1]. A gallium-nitrid (GaN) is ebbe a csoportba tartozik. Legfőbb előnye, hogy a tiltott sávja háromszor nagyobb, mint a szilíciumé, és ez teszi alkalmassá nagy teljesítményű eszközök készítésére [2]. Az első ilyen tranzisztorokról 2008-ban lehetett olvasni [3], azóta egyre csak gyarapodik az irodalma. Már alkalmazzák kijelzőkben, lézerekben [4] vagy éppen az autóiparban [5].
A kutatásom során AlGaN/GaN heterostruktúrát használtam, melynek előnye, hogy az elektronok ballisztikusan képesek mozogni egy vékony határfelület mentén, ezzel nagy vezetőképességet elérve. Ennek az a magyarázata, hogy az AlGaN és a GaN rétegeknek más a rácsállandója, így a kristályátmenetnél ez a különbség piezoelektromos polarizációt okoz. Ez a hatás egy belső potenciálteret hoz létre, ami elektron akkumulációt és a heteroszerkezet sávszerkezetében egy degenerált energiasávszerkezetet eredményez. Ezen az energiaszinten lévő elektronok képzik az ún. kétdimenziós elektrongázfelhőt (2DEG), itt valósul meg az említett nagy vezetőképesség.
Az AlGaN/GaN vegyületfélvezetővel készítettem tranzisztorokat és MEMS rezgőnyelveket. A rezgőnyelv az őt érő külső mechanikai hullámok hatására alakváltozásra képes, ezzel kristályfeszültséget létrehozva modulálni tudjuk az elektron-koncentrációt a 2DEG-ban. Emellett az alkalmazott heteroszerkezettel adalékolásmentesen lehet aktív eszközt készíteni, például tranzisztort a jel erősítéséhez vagy meghajtásához, ahogy jelen esetben történt. Ezek együtteséből kész MEMS eszköz építhető, akár vibráció mérésére vagy cochleáris implantátumba, mivel biokompatibilis anyag.
A dolgozatomban bemutatom MEMS és tranzisztor minták létrehozásának menetét, szimulációját, azokon végzett mérések eredményeit.
[1] K. Shirabe et al., “Efficiency comparison between Si-IGBT-based drive and GaN-based drive,” in IEEE Transactions on Industry Applications, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2014, pp. 566–572. doi: 10.1109/TIA.2013.2290812.
[2] M. Rais-Zadeh et al., “Gallium nitride as an electromechanical material,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 23, no. 6, pp. 1252–1271, Dec. 2014, doi: 10.1109/JMEMS.2014.2352617.
[3] T. Nanjo et al., “First operation of AIGaN channel high electron mobility transistors,” Applied Physics Express, vol. 1, no. 1, Jan. 2008, doi: 10.1143/APEX.1.011101.
[4] Hadis Morkoc, Nitride Semiconductor Devices. IEEE Press, 2013.
[5] G. Patterson and J. Roberts, “Gallium Nitride - delivering its promise in Automotive Applications,” 2016.
szerző
-
Vándorffy József Áron
Villamosmérnöki szak, alapképzés
alapképzés (BA/BSc)
konzulens
-
Dr. Neumann Péter
adjunktus, Elektronikus Eszközök Tanszék
