Ultrawide bandgap (UWBG) AlGaN-channel metal-oxide-semiconductor heterostructure field-effect transistors (MOSHFETs) with a ZrO2 gate dielectric achieve peak current in excess of 0.4 A/mm and current ON/OFF ratios >106 with subthreshold swings as low as 110 mV/decade. These devices have strong potential for use in power and radio frequency electronics or as true solar-blind photodetectors. In this work, we present the photoresponse analysis in UWBG AlGaN MOSHFETs. Persistent photoconductivity with the decay time above 10 minutes can be quenched by illuminating with strong UV light at 365 nm and 254 nm, suggesting deep traps to be responsible for this behavior. Upon correlating the optical response under various illumination conditions with cathodoluminescence of these devices, we identified two key trap levels at ∼2.48 ± 0.14 eV and 3.76 ± 0.06 eV, controlling the slow response time. By depth-profiling using cathodoluminescence, these traps are identified to be at the AlN/AlGaN interface at the back of the device, due to partial relaxation from the lattice mismatch between AlN and Al0.4Ga0.6N.

1.
J. Y.
Tsao
,
S.
Chowdhury
,
M. A.
Hollis
,
D.
Jena
,
N. M.
Johnson
,
K. A.
Jones
,
R. J.
Kaplar
,
S.
Rajan
,
C. G.
Van de Walle
,
E.
Bellotti
,
C. L.
Chua
,
R.
Collazo
,
M. E.
Coltrin
,
J. A.
Cooper
,
K. R.
Evans
,
S.
Graham
,
T. A.
Grotjohn
,
E. R.
Heller
,
M.
Higashiwaki
,
M. S.
Islam
,
P. W.
Juodawlkis
,
M. A.
Khan
,
A. D.
Koehler
,
J. H.
Leach
,
U. K.
Mishra
,
R. J.
Nemanich
,
R. C. N.
Pilawa-Podgurski
,
J. B.
Shealy
,
Z.
Sitar
,
M. J.
Tadjer
,
A. F.
Witulski
,
M.
Wraback
, and
J. A.
Simmons
,
Adv. Electron. Mater.
4
,
1600501
(
2018
).
2.
M. A.
Mastro
,
A.
Kuramata
,
J.
Calkins
,
J.
Kim
,
F.
Ren
, and
S. J.
Pearton
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
6
,
P356
(
2017
).
3.
M.
Su
,
C.
Chen
, and
S.
Rajan
,
Semicond. Sci. Technol.
28
,
74012
(
2013
).
4.
S.
Ujita
,
Y.
Kinoshita
,
H.
Umeda
,
T.
Morita
,
S.
Tamura
,
M.
Ishida
, and
T.
Ueda
, in
2014 IEEE 26th International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC's
(
IEEE
,
2014
), pp.
51
54
.
5.
H.
Xue
,
Q.
He
,
G.
Jian
,
S.
Long
,
T.
Pang
, and
M.
Liu
,
Nanoscale Res. Lett.
13
,
290
(
2018
).
6.
S. J.
Pearton
,
F.
Ren
,
M.
Tadjer
, and
J.
Kim
,
J. Appl. Phys.
124
,
220901
(
2018
).
7.
Y.
Nagasawa
and
A.
Hirano
,
Appl. Sci.
8
,
1264
(
2018
).
8.
S.
Muhtadi
,
S.
Hwang
,
A.
Coleman
,
F.
Asif
,
A.
Lunev
,
M. V. S.
Chandrashekhar
, and
A.
Khan
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
171104
(
2017
).
9.
T. P.
Chow
and
R.
Tyagi
,
IEEE Trans. Electron Devices
41
,
1481
(
1994
).
10.
S.
Muhtadi
,
S. M.
Hwang
,
A.
Coleman
,
F.
Asif
,
G.
Simin
,
M. V. S.
Chandrashekhar
, and
A.
Khan
,
IEEE Electron Device Lett.
38
,
914
(
2017
).
11.
X.
Hu
,
S.
Hwang
,
K.
Hussain
,
R.
Floyd
,
S.
Mollah
,
F.
Asif
,
G.
Simin
, and
A.
Khan
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
1568
(
2018
).
12.
S.
Mollah
,
M.
Gaevski
,
M. V. S.
Chandrashekhar
,
X.
Hu
,
V. D.
Wheeler
,
K.
Hussain
,
A.
Mamun
,
R.
Floyd
,
I.
Ahmad
, and
G.
Simin
,
Semicond. Sci. Technol.
34
,
125001
(
2019
).
13.
S.
Mollah
,
M.
Gaevski
,
K.
Hussain
,
M.
Abdullah
,
R.
Floyd
,
X.
Hu
,
M. V. S.
Chandrashekhar
,
G.
Simin
, and
A.
Khan
,
Appl. Phys. Express
12
,
074001
(
2019
).
14.
T.
Narita
,
A.
Wakejima
, and
T.
Egawa
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
52
,
01AG06
(
2013
).
15.
C. V.
Reddy
,
K.
Balakrishnan
,
H.
Okumura
, and
S.
Yoshida
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
244
(
1998
).
16.
J. Z.
Li
,
J. Y.
Lin
,
H. X.
Jiang
, and
M. A.
Khan
,
Appl. Phys. Lett.
72
,
2868
(
1998
).
17.
P. B.
Klein
,
J. A.
Freitas
,
S. C.
Binari
, and
A. E.
Wickenden
,
Appl. Phys. Lett.
75
,
4016
(
1999
).
18.
Q.
Fareed
,
V.
Adivarahan
,
M.
Gaevski
,
T.
Katona
,
J.
Mei
,
F. A.
Ponce
, and
A.
Khan
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
46
,
L752
(
2007
).
19.
C.
Pernot
,
M.
Kim
,
S.
Fukahori
,
T.
Inazu
,
T.
Fujita
,
Y.
Nagasawa
,
A.
Hirano
,
M.
Ippommatsu
,
M.
Iwaya
, and
S.
Kamiyama
,
Appl. Phys. Express
3
,
61004
(
2010
).
20.
J.-S.
Park
,
J. K.
Kim
,
J.
Cho
, and
T.-Y.
Seong
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
6
,
Q42
(
2017
).
21.
P. H.
Carey
,
F.
Ren
,
A. G.
Baca
,
B. A.
Klein
,
A. A.
Allerman
,
A. M.
Armstrong
,
E. A.
Douglas
,
R. J.
Kaplar
,
P. G.
Kotula
, and
S. J.
Pearton
,
IEEE J. Electron Devices Soc.
7
,
444
(
2019
).
22.
M. T.
Hirsch
,
J. A.
Wolk
,
W.
Walukiewicz
, and
E. E.
Haller
,
Appl. Phys. Lett.
71
,
1098
(
1997
).
23.
G.
Simin
,
A.
Koudymov
,
A.
Tarakji
,
X.
Hu
,
J.
Yang
,
M. A.
Khan
,
M. S.
Shur
, and
R.
Gaska
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
2651
(
2001
).
24.
F. N.
Hooge
,
IEEE Trans. Electron Devices
41
,
1926
(
1994
).
25.
M. J.
Deen
,
S. L.
Rumyantsev
, and
M.
Schroter
,
J. Appl. Phys.
85
,
1192
(
1999
).
26.
T. E.
Everhart
and
P. H.
Hoff
,
J. Appl. Phys.
42
,
5837
(
1971
).
27.
T.
Palacios
,
A.
Chakraborty
,
S.
Heikman
,
S.
Keller
,
S. P.
DenBaars
, and
U. K.
Mishra
,
IEEE Electron Device Lett.
27
,
13
(
2006
).
28.
G.
Simin
,
X.
Hu
,
A.
Tarakji
,
J.
Zhang
,
A.
Koudymov
,
S.
Saygi
,
J.
Yang
,
A.
Khan
,
M. S.
Shur
, and
R.
Gaska
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 2
40
,
L1142
(
2001
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.