We report the effect of stress or strain on the electronic characteristics of a normally off AlGaN/GaN high electron mobility transistor (HEMT) and demonstrate its role as a highly sensitive pressure sensor. We observe that the HEMT drain current exhibits a linear change of 2.5%/bar upon the application of pressure, which is translated to a strain sensitivity of 1250 ppm−1. This is the highest strain sensitivity ever reported on HEMTs and many other conventional strain sensing configurations. The relative change of drain current is largest when the gate bias is near-threshold and drain bias is slightly larger than the saturation bias. The electron sheet density and mobility changes in the AlGaN/GaN heterointerface under the applied pressure or mechanical strain are explained qualitatively. The spontaneous and piezoelectric-polarization-induced surface and interface charges in the AlGaN/GaN heterojunction can be used to develop very sensitive and robust pressure sensors. The results demonstrate a considerable potential of normally off AlGaN/GaN HEMTs for highly sensitive and reliable mechanical sensing applications with low energy consumption.

1.
S. M.
Sze
,
Physics of Semiconductor Devices
(
John Wiley & Sons
,
2012
).
2.
M. A.
Khan
,
G.
Simin
,
M. S.
Shur
,
R.
Gaska
, and
G. K.
Sujan
,
Reference Module Materials in Science and Materials Engineering
(
Elsevier
,
2018
), p.
1
.
3.
M. S.
Shur
and
R. F.
Davis
,
GaN-Based Materials and Devices
(
World Scientific
,
2004
).
4.
N. I.
Kim
,
Y. L.
Chang
,
J.
Chen
,
T.
Barbee
,
W.
Wang
,
J. Y.
Kim
,
M. K.
Kwon
,
S.
Shervin
,
M.
Moradnia
,
S.
Pouladi
,
D.
Khatiwada
,
V.
Selvamanickam
, and
J. H.
Ryou
,
Sens. Actuators, A
305
,
111940
(
2020
).
5.
H. S.
Alpert
,
C. A.
Chapin
,
K. M.
Dowling
,
S. R.
Benbrook
,
H.
Köck
,
U.
Ausserlechner
, and
D. G.
Senesky
,
Rev. Sci. Instrum.
91
,
025003
(
2020
).
6.
H. Q.
Nguyen
,
T.
Dinh
,
H. A.
Moghadam
,
T. K.
Nguyen
,
T.
Nguyen
,
J.
Han
,
S.
Dimitrijev
,
Y.
Zhu
,
N.-T.
Nguyen
, and
D. V.
Dao
,
IEEE Trans. Electron Devices
68
,
1495
(
2021
).
7.
Z.
Hassan
,
S. S.
Ng
,
G. L.
Chew
,
F. K.
Yam
,
M. J.
Abdullah
,
M. R.
Hashim
,
K.
Ibrahim
, and
M. E.
Kordesch
,
Mater. Sci. Forum
480–481
,
531
(
2005
).
8.
D.
Gajula
,
I.
Jahangir
, and
G.
Koley
,
Micromachines
9
,
207
(
2018
).
9.
O.
Ambacher
,
J. Phys. D. Appl. Phys.
31
,
2653
(
1998
).
10.
O.
Ambacher
,
B.
Foutz
,
J.
Smart
,
J. R.
Shealy
,
N. G.
Weimann
,
K.
Chu
,
M.
Murphy
,
A. J.
Sierakowski
,
W. J.
Schaff
,
L. F.
Eastman
,
R.
Dimitrov
,
A.
Mitchell
, and
M.
Stutzmann
,
J. Appl. Phys.
87
,
334
(
2000
).
11.
J. P.
Ibbetson
,
P. T.
Fini
,
K. D.
Ness
,
S. P.
DenBaars
,
J. S.
Speck
, and
U. K.
Mishra
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
250
(
2000
).
12.
O.
Ambacher
,
J.
Smart
,
J. R.
Shealy
,
N. G.
Weimann
,
K.
Chu
,
M.
Murphy
,
W. J.
Schaff
,
L. F.
Eastman
,
R.
Dimitrov
,
L.
Wittmer
,
M.
Stutzmann
,
W.
Rieger
, and
J.
Hilsenbeck
,
J. Appl. Phys.
85
,
3222
(
1999
).
13.
V.
Cimalla
,
J.
Pezoldt
, and
O.
Ambacher
,
J. Phys. D. Appl. Phys.
40
,
6386
(
2007
).
14.
T.
Zimmermann
,
M.
Neuburger
,
P.
Benkart
,
F. J.
Hernández-Guillén
,
C.
Pietzka
,
M.
Kunze
,
I.
Daumiller
,
A.
Dadgar
,
A.
Krost
, and
E.
Kohn
,
IEEE Electron Device Lett.
27
,
309
(
2006
).
15.
X.
Wang
,
R.
Yu
,
C.
Jiang
,
W.
Hu
,
W.
Wu
,
Y.
Ding
,
W.
Peng
,
S.
Li
, and
Z. L.
Wang
,
Adv. Mater.
28
,
7234
(
2016
).
16.
H. Q.
Nguyen
,
H. A.
Moghadam
,
T.
Dinh
,
H. P.
Phan
,
T. K.
Nguyen
,
J.
Han
,
S.
Dimitrijev
,
N. T.
Nguyen
, and
D. V.
Dao
,
Mater. Lett.
244
,
66
(
2019
).
17.
B. S.
Kang
,
J.
Kim
,
S.
Jang
,
F.
Ren
,
J. W.
Johnson
,
R. J.
Therrien
,
P.
Rajagopal
,
J. C.
Roberts
,
E. L.
Piner
,
K. J.
Linthicum
,
S. N. G.
Chu
,
K.
Baik
,
B. P.
Gila
,
C. R.
Abernathy
, and
S. J.
Pearton
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
253502
(
2005
).
18.
B. S.
Kang
,
S.
Kim
,
F.
Ren
,
J. W.
Johnson
,
R. J.
Therrien
,
P.
Rajagopal
,
J. C.
Roberts
,
E. L.
Piner
,
K. J.
Linthicum
,
S. N. G.
Chu
,
K.
Baik
,
B. P.
Gila
,
C. R.
Abernathy
, and
S. J.
Pearton
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
2962
(
2004
).
19.
B. S.
Kang
,
S.
Kim
,
J.
Kim
,
F.
Ren
,
K.
Baik
,
S. J.
Pearton
,
B. P.
Gila
,
C. R.
Abernathy
,
C. C.
Pan
,
G. T.
Chen
,
J. I.
Chyi
,
V.
Chandrasekaran
,
M.
Sheplak
,
T.
Nishida
, and
S. N. G.
Chu
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
4845
(
2003
).
20.
B. S.
Kang
,
S.
Kim
,
J.
Kim
,
R.
Mehandru
,
F.
Ren
,
K.
Baik
,
S. J.
Pearton
,
B. P.
Gila
,
C. R.
Abernathy
,
C. C.
Pan
,
G. T.
Chen
,
J. I.
Chyi
,
V.
Chandrasekaran
,
M.
Sheplak
,
T.
Nishida
, and
S. N. G.
Chu
,
Phys. Status Solidi C
2
,
2684
(
2005
).
21.
Y.
Liu
,
P. P.
Ruden
,
J.
Xie
,
H.
Morkoç
, and
K. A.
Son
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
013505
(
2006
).
22.
M.
Eickhoff
,
O.
Ambacher
,
G.
Krötz
, and
M.
Stutzmann
,
J. Appl. Phys.
90
,
3383
(
2001
).
23.
T.
Lalinský
,
P.
Hudek
,
G.
Vanko
,
J.
Dzuba
,
V.
Kuti
,
R.
Srnánek
,
P.
Choleva
,
M.
Vallo
,
M.
Drík
,
L.
Matay
, and
I.
Kosti
,
Microelectron. Eng.
98
,
578
(
2012
).
24.
B.
Li
,
X.
Tang
,
H.
Li
,
H. A.
Moghadam
,
Z.
Zhang
,
J.
Han
,
N. T.
Nguyen
,
S.
Dimitrijev
, and
J.
Wang
,
Appl. Phys. Express
12
,
064001
(
2019
).
25.
W.
Saito
,
Y.
Takada
,
M.
Kuraguchi
,
K.
Tsuda
, and
I.
Omura
,
IEEE Trans. Electron Devices
53
,
356
(
2006
).
26.
Y.
Cai
,
Y.
Zhou
,
K. M.
Lau
, and
K. J.
Chen
,
IEEE Trans. Electron Devices
53
,
2207
(
2006
).
27.
Y.
Uemoto
,
M.
Hikita
,
H.
Ueno
,
H.
Matsuo
,
H.
Ishida
,
M.
Yanagihara
,
T.
Ueda
,
T.
Tanaka
, and
D.
Ueda
,
IEEE Trans. Electron Devices
54
,
3393
(
2007
).
28.
F.
Roccaforte
,
G.
Greco
,
P.
Fiorenza
, and
F.
Iucolano
,
Materials
12
,
1599
(
2019
).
29.
S. J.
Pearton
,
B. S.
Kang
,
S.
Kim
,
F.
Ren
,
B. P.
Gila
,
C. R.
Abernathy
,
J.
Lin
, and
S. N. G.
Chu
,
J. Phys.: Condens. Matter
16
,
R961
(
2004
).
30.
O.
Yilmazoglu
,
K.
Mutamba
,
D.
Pavlidis
, and
M. R.
Mbarga
,
IEICE Trans. Electron.
E89-C
,
1037
(
2006
).
31.
C. A.
Chapin
,
R. A.
Miller
,
K. M.
Dowling
,
R.
Chen
, and
D. G.
Senesky
,
Sens. Actuators, A
263
,
216
(
2017
).
32.
X.
Tan
,
Y. J.
Lv
,
X. Y.
Zhou
,
Y. G.
Wang
,
X. B.
Song
,
G. D.
Gu
,
P. F.
Ji
,
X. L.
Yang
,
B.
Shen
,
Z. H.
Feng
, and
S. J.
Cai
,
AIP Adv.
8
,
085202
(
2018
).
33.
E. D.
le Boulbar
,
M. J.
Edwards
,
S.
Vittoz
,
G.
Vanko
,
K.
Brinkfeldt
,
L.
Rufer
,
P.
Johander
,
T.
Lalinský
,
C. R.
Bowen
, and
D. W. E.
Allsopp
,
Sens. Actuators, A
194
,
247
(
2013
).
34.
A. S.
Yalamarthy
and
D. G.
Senesky
,
Semicond. Sci. Technol.
31
,
035024
(
2016
).
35.
G.
Crystal
,
W.
Soluch
,
L. S.
Member
,
E.
Brzozowski
, and
M.
Lysakowska
,
IEEE Trans. Ultrason., Ferroelectr., Freq. Control
58
,
2469
(
2011
).
36.
F.
Bernardini
,
V.
Fiorentini
, and
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
56
,
R10024
(
1997
).
37.
A.-B.
Chen
,
A.
Sher
, and
W. T.
Yost
,
The Mechanical Properties of Semiconductors
, edited by
K. T.
Faber
and
K. J.
Malloy
(
Elsevier
,
1992
), pp.
1
77
.
38.
M.
Chu
,
Y.
Sun
,
U.
Aghoram
, and
S. E.
Thompson
,
Annu. Rev. Mater. Res.
39
,
203
(
2009
).
39.
S.
Adachi
,
Properties of Semiconductor Alloys: Group-IV, III-V and II-VI Semiconductors
(
Wiley
,
New York
,
2009
).
40.
U.
Rössler
,
Solid State Commun.
49
,
943
(
1984
).
41.
B.
Jogai
,
Phys. Rev. B
57
,
2382
(
1998
).
42.
S.
Postorino
,
D.
Grassano
,
M.
D'Alessandro
,
A.
Pianetti
,
O.
Pulci
, and
M.
Palummo
,
Nanomater. Nanotechnol.
10
,
184798042090256
(
2020
).
43.
M.
Chu
,
A. D.
Koehler
,
A.
Gupta
,
T.
Nishida
, and
S. E.
Thompson
,
J. Appl. Phys.
108
,
104502
(
2010
).
44.
Y.
Sun
,
G.
Sun
,
S.
Parthasarathy
, and
S. E.
Thompson
,
Mater. Sci. Eng., B
135
,
179
(
2006
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.