行业 | 美国空军实验室等联合团队基于AlN单晶衬底实现新一代高性能毫米波场效应晶体管

译自原文
Ultra-Wide Bandgap AlGaN Heterostructure Field Effect Transistors with Current Gain Cutoff Frequency Above 85 GHz

原文链接

https://arxiv.org/abs/2512.18103

原文作者
Yinxuan Zhu¹, Andrew A. Allerman³ , Ashley Wissel-Garcia⁴ , Seungheon Shin¹ , Jonathan Pratt¹ , Can Cao¹ , Kyle J. Liddy^1,5 , James S. Speck⁴ , Brianna A. Klein³ , Andrew Armstrong³ , Siddharth Rajan^1,2 
1Department of Electrical and Computer Engineering, The Ohio State University, 
²Department of Materials Science and Engineering, The Ohio State University, 
³Sandia National Laboratories, Albuquerque. 
⁴Materials Department, University of California, Santa Barbara. 
⁵Air Force Research Laboratory, Sensors Directorate, Wright-Patterson Air Force Base.

摘要

本文报道了超宽禁带（UWBG）AlGaN极化梯度场效应晶体管（PolFET）的设计与实现，该器件实现了超过 85 GHz 的电流增益截止频率和超过 1.3 A/mm 的电流密度。我们在 AlN单晶衬底上外延生长了超薄沟道层和缓冲层，并引入反极性梯度 AlGaN 接触层，将接触电阻降低至 1 Ω·mm 以下。通过极致的器件尺寸微缩，该 AlGaN PolFET 展现了 UWBG 晶体管中一流的高频性能。小信号模型分析揭示了寄生延时与渡越延时的具体来源，证实了降低寄生访问电阻（Access Resistance）和提高本征跨导所带来的显著优势。这些结果为 UWBG AlGaN 器件树立了新的性能标杆，并展示了其在下一代毫米波电子器件领域的巨大潜力。

若能充分利用其高临界电场以实现更高的约翰逊优值（Johnson Figure of Merit），超宽禁带（UWBG）AlGaN 将成为超越氮化镓（GaN）横向晶体管、应用于下一代毫米波功率放大器的有力候选材料。近年来，基于 UWBG AlGaN 的器件取得了显著进展：采用高介电常数（high-k）介质的 AlGaN 异质结二极管击穿电场已超过 8.5 MV/cm；而在 UWBG AlGaN 异质结场效应晶体管（HFET）中，平均击穿电场超过 5 MV/cm，电流密度可达 400 mA/mm。此外，已有文献报道 UWBG AlGaN 高电子迁移率晶体管（HEMT）展现出良好的射频性能，其电流增益截止频率与最大振荡频率（fT/fmax）分别达到 40 GHz/58 GHz，电流密度超过 400 mA/mm 然而，UWBG AlGaN 晶体管在设计上面临着有别于传统 GaN 沟道晶体管的独特挑战，特别是在接触/沟道设计以及缓冲层/外延生长方面。受多种因素制约，当前最先进的 AlGaN 晶体管其截止频率和跨导仍显著低于 GaN 基器件。其中，高接触电阻不仅限制了电流密度，还引入了巨大的寄生延时，从而导致射频性能下降。

研究人员已探索了多种策略来缓解这一问题，包括采用反向梯度 AlGaN 接触层以及再生长接触层。然而，将反向梯度 n++ AlGaN 接触层与突变型沟道异质结场效应晶体管进行集成颇具挑战性。若采用异位再生长（ex-situ regrown）工艺来集成接触层，再生长界面与沟道之间产生的界面层会劣化接触电阻。而若在 HEMT 结构上原位生长（in-situ grown）反向梯度接触层，阻挡层与沟道层之间的异质结势垒则会限制载流子向接触区的注入。梯度沟道晶体管提供了一种将反向梯度接触层与沟道集成的巧妙方案，因为这种方法消除了接触区与沟道区之间可能存在的能带偏移（band offset）所形成的势垒。此前已有研究展示了集成有铝组分低于 50% 的反向梯度接触层的极化梯度场效应晶体管（PolFET）。对于射频器件工作而言，梯度极化诱导沟道具有多项优势：由于电子电荷在空间上呈分布状态，这有助于提高电子漂移速度和线性度。

除载流子注入难题外，AlGaN 较低的热导率也要求在热管理方面进行精心设计。在 AlN单晶衬底上生长超薄的 AlGaN 缓冲层/沟道层，既能满足赝形（pseudomorphic）外延生长的需求，又有利于降低热阻。AlN 单晶衬底可作为 UWBG AlGaN 晶体管极佳的散热层（heat spreader）。然而，必须精心设计超薄的 AlGaN 外延沟道/缓冲层结构，以缓解 AlN/AlGaN 界面处因极化不连续性所产生的负极化电荷带来的影响。此前报道的 AlGaN 沟道晶体管多采用厚 AlGaN 缓冲层作为 AlN 与 AlGaN 沟道之间的过渡层，但这不仅会因 AlGaN 合金较差的热导率而引入额外的热阻，还会导致外延结构发生部分甚至完全弛豫（relaxation）。因此，在本工作中，我们采用了超薄 UWBG AlGaN 梯度沟道层，并结合硅 δ 掺杂（Si-delta doped）背势垒来补偿负极化电荷。

如图 1(a) 所示，本工作所采用的外延结构通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在 AlN单晶衬底上生长而成，具体包括：表面经 Si δ 掺杂以补偿负极化电荷的 AlN 缓冲层、2 nm AlN 插入层、0.5 nm 非故意掺杂（UID）Al₀.₅Ga₀.₅N 隔离层、组分从 Al₀.₅Ga₀.₅N 渐变至 Al₀.₈Ga₀.₂N 的 10 nm UID AlGaN 沟道层、用于补偿表面耗尽效应的 20 nm n 型掺杂 Al₀.₈Ga₀.₂N 帽层、组分从 Al₀.₈₂Ga₀.₁₈N 反向渐变至 Al₀.₁₄Ga₀.₈₆N 的 25 nm 重掺杂 AlGaN 接触层，以及 7.5 nm n++ 掺杂 Al₀.₁₄Ga₀.₈₆N 帽层。其中，位于缓冲层与隔离层之间的 Si δ 掺杂层经过精心设计，旨在补偿 Al₀.₅Ga₀.₅N/AlN 界面的负极化电荷，同时避免产生寄生电子沟道。我们利用高分辨率 X 射线衍射（HR-XRD，Bruker XRD）测量验证了各层厚度及 Al 组分，并通过图 2(a) 和 2(b) 所示的 XRD 倒易空间映射（RSM）测试，证实了外延层处于完全应变生长状态。

器件制备工艺流程始于欧姆接触金属的光刻图形化与蒸镀，依次蒸镀 Ti/Al/Ni/Au（20 nm/120 nm/30 nm/100 nm）叠层，随后采用基于 Cl₂ 的感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）进行台面隔离。接着，通过电子束光刻定义凹槽刻蚀区域，并利用低功率 Cl₂ 基 ICP-RIE 工艺完成刻蚀。在完成凹槽刻蚀以定义寄生接入区后，再次使用电子束光刻定义栅极图形，并通过电子束蒸发依次沉积 Ni/Au（20 nm/100 nm）叠层。

图 1：(a) UWBG AlGaN PolFET 结构示意图；(b) 一维薛定谔方程仿真得到的能带图，黑色箭头指示电子电荷分布；(c) 红色箭头指示电子电荷分布。

基于范德堡（van der Pauw）结构进行的霍尔（Hall）测试结果表明，该材料的面电荷密度为 1×10¹³ cm⁻²，电子迁移率为 201 cm²/V⋅s，方块电阻（sheet resistivity）为 2.97 kΩ/□。器件的直流特性采用安捷伦（Agilent）B1500 参数分析仪进行测量。如图 3(a) 所示，通过传输线模型（TLM）提取得到的接触电阻为 1 Ω⋅mm（即 3.42×10⁻⁶ Ω⋅cm²），这表明我们所采用的反向梯度接触层显著降低了这一 UWBG AlGaN 沟道器件的接触电阻。此外，我们利用电容-电压（C-V）测试提取了接入区（access region）内电荷密度随深度的变化关系（图 3(c)）。实测的电荷密度-深度曲线与仿真结果吻合良好，证实 Si δ 掺杂既能有效补偿 AlGaN/AlN 界面的负极化电荷，又能避免平行导电沟道的产生。

图 2：(a) PolFET 外延层的 XRD 2θ−ω 扫描图谱；(b) 外延层结构的 XRD 倒易空间映射（RSM）数据。

图 3：(a) 传输线模型（TLM）测试结果；(b) AlGaN PolFET 栅极二极管的电容-电压（C-V）测试曲线；(c) 由 C-V 曲线提取的电子电荷分布及与图 1(c) 仿真结果的对比。

如图 4(a) 所示，微缩后的晶体管源漏间距为 200 nm，栅漏间距为 60 nm，栅长为 80 nm。在 V_GS=3 V、V_DS=10 V 的条件下，测得其峰值电流密度超过 1.3 A/mm（图 4(b)）。这是目前平面型 UWBG AlGaN 晶体管所报道的最高电流密度值。如此高的电流密度主要归功于接触电阻的显著降低以及极短源漏间距的设计。根据转移特性曲线（图 4(c)）提取得到器件的跨导约为 130 mS/mm，阈值电压为 -10 V。如图 4(d) 所示，器件的开关比（~10⁴）受限于较大的栅极泄漏电流；在同类器件上测得的三端击穿电压为 20 V，对应平均击穿电场强度为 3.3 MV/cm。正如我们先前的工作所展示的那样，未来的器件优化可考虑引入介质层以降低泄漏电流并进一步提升击穿电压。

图 4：(a) AlGaN PolFET 器件结构示意图；(b) 输出特性曲线；(c) 转移特性曲线；(d) 漏极/栅极电流密度随栅压变化的半对数坐标图；(e) 器件光学显微照片；(f) 图 (e) 中红框标注区域俯视扫描电子显微镜（SEM）图像。

采用安捷伦 8722ES 型网络分析仪完成片上小信号测试。图 5 展示了栅极偏压为 -3 V、漏极偏压为 10 V 条件下的在片短路电流增益（∣h21∣）、最大单向增益（MUG）及最大稳定增益（MSG）。测试结果显示，该器件的电流增益截止频率（f_T）达到 85 GHz，最大振荡频率（f_max）为 20 GHz。这是迄今为止所有 UWBG AlGaN 晶体管中所报道的最高 f_T纪录。其 f_max/f_T 比值相对较低，这是由于未采用 T 型栅结构，i 型栅极几何形状导致了较高的栅电阻。

采用小信号等效电路建模对晶体管的射频性能进行了深入分析。利用先前建立的方法，直接从测得的 S 参数中提取得到等效电路模型参数，并据此计算出该晶体管的寄生延时与渡越延时分别为 0.93 ps 与 1.03 ps。研究结果表明，通过降低接触电阻并极限制备微小尺寸的晶体管，可显著减小源/漏寄生串联电阻（access resistances），从而提升本征跨导，并有效缩短寄生延时与载流子渡越延时。

 图 5：片上小信号测试结果。

表 1. 基于小信号等效电路模型从 S 参数中提取的元件参数值。

综上所述，本文设计并成功制备了一种超宽禁带（UWBG）AlGaN 极化梯度场效应晶体管（PolFET），其电流密度超过 1.3 A/mm，电流增益截止频率（f_T）达到 85 GHz（图 6(a)(b)）。该电流密度已接近文献中理论公式所预测的极限值，这主要归功于低接触电阻与微缩后的极短源漏间距。此外，低接触电阻与短栅长的结合，使得该 AlGaN 器件在截止频率方面达到了国际领先水平。本研究展示的 PolFET 结构理念，为未来开发兼具低接触电阻、优异电子输运特性与出色热管理能力的 UWBG AlGaN 基功率放大器奠定了极具前景的设计基础。

图 6：性能基准对比图。(a) 峰值电流密度（I_max）随面电荷密度（n_s）的变化关系。图中同时给出了基于 Bajaj 等人理论计算的 GaN 最大电流密度极限。(b) 电流增益截止频率（f_T）随栅长倒数（1/L_G）的变化关系，以及基于栅极渡越时间（τ_g=L_g/v_sat）得出的理论本征截止频率极限。