行业 | 美国空军实验室等联合团队实现创纪录AlN单晶衬底基AlGaN晶体管

原文链接
https://pubs.aip.org/aip/aed/article/2/2/026120/3392735/High-breakdown-field-multi-kV-UWBG-AlGaN

原文作者
Seungheon Shin¹ , Kyle Liddy³ , Jon Pratt¹ , Can Cao¹ , Yinxuan Zhu¹ , Brianna A. Klein⁴ , Andrew Armstrong⁴ , Andrew A. Allerman⁴ , and Siddharth Rajan^1,2
1Department of Electrical & Computer Engineering, The Ohio State University.
²Department of Materials Science & Engineering, The Ohio State University.
³Air Force Research Laboratory, Information and Spectrum Warfare Directorate, Wright-Patterson AFB.
⁴Sandia National Laboratories, Albuquerque.

项目支持方
美国陆军研究办公室（ARO）、美国国家技术工程解决方案公司（NTESS）桑迪亚国家实验室（SNL）、美国能源部（DOE）

摘要

本文展示了高性能超宽禁带（UWBG）AlGaN 极化场效应晶体管（PolFET）。在高面密度（1.15×10¹³ cm⁻²）条件下，该器件实现了创纪录的近 1 A/mm 导通电流（约 960 mA/mm）与高击穿场强（>4.8 MV/cm）的协同优化。通过引入栅极互连场板结构，在栅漏间距（LGD）分别为 3.9 μm 和 6.8 μm 时，器件分别展现出 1.28 kV 和 2.17 kV 的耐压能力，对应比导通电阻低至 1.25 mΩ·cm² 和 2.86 mΩ·cm²。此外，3.9 μm L_GD 器件亦表现出优异的射频特性，其截止频率（f_T）和最高振荡频率（f_MAX）分别达 8.5 GHz 和 15 GHz。上述结果表明，UWBG AlGaN 器件平台在高压射频与功率电子领域均具备巨大的应用潜力。

超宽禁带（UWBG）AlGaN 晶体管（沟道铝组分 > 40%）在下一代功率开关与高压射频电子器件领域正引发日益广泛的关注。该材料具备高临界电场（> 10 MV/cm）、高饱和漂移速度（~2×10⁷ cm/s）及优异的高频特性，可实现传统 III 族氮化物晶体管技术难以企及的性能指标。近期关于 UWBG AlGaN 器件的研究已报道了超过 5 MV/cm 的击穿场强、高击穿电压以及卓越的高频性能，彰显了该材料体系在高压开关领域提升巴利加优值（BFOM）及在射频功率领域提升约翰逊优值（JFOM）的巨大潜力。尽管 UWBG 材料潜力巨大，但将其材料特性转化为实用的晶体管平台仍面临挑战。此前的 UWBG AlGaN 晶体管虽然在击穿场强、千伏级耐压、电流驱动能力、接触电阻及射频性能等单一方面取得了进展，却尚未实现“多千伏级耐压、高饱和电流密度与MV/cm级击穿场强”的协同突破。这一性能鸿沟已成为制约横向 UWBG AlGaN 晶体管在功率变换与高压射频应用中发展的关键问题——此类应用要求器件在导通态的导通/饱和电流与关断态的强电场控制能力之间取得平衡。在此背景下，两大器件级制约因素尤为突出。其一，栅-漏区域的电场管理能力不足，导致 UWBG AlGaN 的本征临界电场难以在面向多千伏耐压应用的三端器件中（尤其是当栅漏间距增大至高压范围时）得到充分利用。其二，高寄生接触与扩展电阻的持续存在，严重抑制了电流驱动能力并增大了导通电阻。正如本研究工作所示，即使在采用反向渐变接触层结构时，UWBG AlGaN 异质结场效应晶体管（HFET）中的接触形成机制依然十分复杂，这主要归因于势垒/沟道异质结构引入的额外隧穿势垒。这种权衡取舍凸显了器件设计的迫切需求：UWBG AlGaN 晶体管的设计必须兼顾横向静电场调控与纵向载流子注入的协同优化，而非孤立地改进单一参数。

在本工作中，我们展示了一种超宽禁带（UWBG）AlGaN 金属-绝缘体-半导体极化梯度场效应晶体管（PolFET），旨在应对上述耦合挑战。 该 PolFET 消除了异质结场效应晶体管（HFET）中接触区域面临的势垒/沟道垂直电势壁垒。与 HFET 相比，PolFET 通过将沟道层移至更高 AlN 摩尔组分的区域（该区域具有更高的电子迁移率 μ），从而实现了更低的方块电阻（R_SH）。在保持目标方块电阻 R_SH=1/(qμn_s) 不变的前提下，更高的沟道迁移率赋予了电荷面密度（n_s）更灵活的设计空间。这种额外的设计自由度使得 n_s 的选取能够同时优化横向导通态电流输运与横向关断态电场分布。实验结果表明，该器件在实现了近 1 A/mm 峰值导通电流的同时，击穿场强高达 4.8 MV/cm；而在更大的栅漏间距下，器件亦展现出多千伏级的击穿电压与低比导通电阻。上述结果凸显了 UWBG AlGaN PolFET 作为横向晶体管优越的竞争力：它可同时满足高电流密度、强电场控制与千伏级耐压的需求，是下一代高功率开关与高压射频应用的有力候选器件。

图 1. (a) PolFET 外延结构及器件制备结构示意图；(b) 高分辨率 X 射线衍射 2θ-ω 扫描曲线；(c) 栅漏间距 L_GD = 0.88 μm 器件的俯视扫描电子显微镜（SEM）照片。

图 2. 模拟能带结构与电子分布：(a) 欧姆接触区平衡态能带与电子分布，截线取自反向渐变 n++ AlGaN 接触层表面至 50% AlGaN 缓冲层；(b) PolFET 栅极下方能带与电子分布。

我们采用 TNSC-4000HT 金属有机化学气相沉积（MOCVD）反应室，在 AlN 衬底上设计并生长了 PolFET 外延层结构（图 1(a)）。 该外延层结构包含：位于 30 nm 厚、铝组分为 50% 的非故意掺杂（UID）AlGaN 缓冲层下方的 2 nm 均匀掺杂背势垒层（Si 掺杂浓度约 1.1×10²⁰ cm⁻³，净 Si 面密度约 2.2×10¹³ cm⁻²），旨在消除背势垒中的寄生空穴气。在缓冲层之上生长了 10 nm 厚的 UID 梯度沟道层（Al 组分从底部的 50% 向上渐变至顶部的 80%），随后生长 30 nm 厚的 n 型 AlGaN 隔离层（Si 掺杂浓度约 4×10¹⁸ cm⁻³）。最后，在 n 型 AlGaN 隔离层上形成 32.5 nm 厚的反向渐变 n++ AlGaN 接触层。其中，30 nm 厚的 n 型 AlGaN 隔离层兼具两项功能：(i) 防止沟道二维电子气（3DEG）在表面处耗尽；(ii) 在刻蚀去除扩展区和栅极区域接触层时充当牺牲层。初始隔离层的厚度与掺杂浓度设计基于能带结构仿真，兼顾了最小化表面耗尽效应及为过刻蚀预留厚度余量。如图 1(b) 所示，采用高分辨率 X 射线衍射（HR-XRD，Bruker D8 Discover）测定了各层的 Al 组分。图 2(a) 展示了欧姆接触下方的模拟能带图，显示了从接触层至 UID PolFET 沟道的简并费米能级以及计算所得电子分布曲线。图 2(b) 给出了栅极金属下方集成 10.6 nm 等离子体增强原子层沉积（PEALD）Al₂O₃ 介质的能带图，证实了该设计能有效抑制梯度 UID AlGaN 沟道层中的表面与背面耗尽，并实现了目标 3DEG 面密度。

在器件制备过程中，所有图形化步骤均采用光刻直写技术完成。为定义源漏间距与接入区，采用低损伤 BCl₃/Cl₂/Ar（5/50/5 sccm）ICP-RIE 刻蚀工艺，在 ICP/RIE 功率为 40/8 W、腔压 5 mTorr 的条件下进行，通过可控过刻蚀至 n-AlGaN 间隔层，确保完全去除反向组分梯度的接触层。刻蚀后势垒层厚度经原子力显微镜表征约为 22.5 nm。非合金欧姆金属叠层（Ti/Al/Ni/Au = 20/120/30/100 nm）通过电子束蒸发制备。随后，采用等离子体增强原子层沉积（Veeco Fiji G2 PE-ALD）生长 10.6 nm Al₂O₃ 栅介质，其厚度通过裸硅控制片的椭偏光谱测试予以确认。台面隔离采用 BOE 湿法刻蚀 Al₂O₃ 后接 ICP-RIE 干法刻蚀的方式实现，刻蚀深度为 280 nm。栅金属采用电子束蒸发沉积 Ni/Au/Ni（30/100/20 nm）。最后，通过 PECVD 沉积 152 nm SiNₓ 钝化层，并制备栅极连接场板（GFP，Ni/Au/Ni = 30/100/20 nm）。器件结构示意图如图 1(a) 所示，图 1(c) 为典型器件的扫描电子显微镜照片，其中源栅间距 L_SG = 0.26 μm、栅长 L_G = 1.16 μm、栅漏间距 L_GD = 0.88 μm、场板长度 L_FP = 0.15 μm。本文其余报道器件的尺寸分别为 L_GD/L_FP = 3.9/0.3 μm 和 6.8/0.4 μm，其 L_SG 与 L_G 标称值保持一致。

图 3. (a) MIS 二极管的 C-V（电容-电压）特性曲线；(b) 由 C-V 测试提取的电子浓度分布曲线。

采用传输线模型（TLM）测试对欧姆接触特性进行了表征，测得的接触电阻（R_C）为 2.07 Ω·mm，接触电阻率（ρ_C）为 1.78×10⁻⁵ Ω·cm²，方块电阻（R_SH）为 2.4 kΩ/□。值得注意的是，该 R_C 与 ρ_C 数值相对高于我们此前采用类似外延层的研究结果（约 1 Ω·mm），这一差异可能源于欧姆接触工艺或外延层生长过程中的非预期波动。霍尔测试结果表明，由于非故意掺杂（UID）极化场效应晶体管（PolFET）沟道层中不存在电离掺杂剂，器件表现出 1.15×10¹³ cm⁻² 的总面电荷密度、2.45 kΩ/□ 的方块电阻以及 220 cm²/V·s 的高电子迁移率。据我们所知，该电子迁移率是超宽禁带（UWBG）AlGaN 晶体管中报道的最高值。为进一步确定三维电子气（3DEG）的详细分布，对器件进行了电容-电压（C-V）特性测试。测试基于包含 10.6 nm PEALD Al₂O₃ 的 MIS 二极管结构进行（图 3(a)）。提取的电子浓度分布如图 3(b) 所示，证实了 n-AlGaN 间隔层在抑制表面耗尽、实现高密度 3DEG 形成方面的作用。经估算，总电荷密度约为 1.26×10¹³ cm⁻²。

图 4. (a) 不同栅压下的输出特性曲线（V_GS=3–13 V，ΔV_GS=−1 V）；(b) V_DS=15 V 时测得的转移特性曲线（对数坐标），其中实线为漏极电流 I_D，虚线为栅极漏电流 I_G。

直流电流–电压（I–V）特性测试采用 Keithley 4200 半导体参数分析仪完成。器件整体夹断电压 V_P 为 –12.5 V。在不同栅漏间距（L_GD）器件中均观测到低栅极漏电流（约 2.2×10⁻⁷ mA/mm）；得益于 PEALD Al₂O₃ 栅介质的引入，器件开关电流比 I_ON/I_OFF 高达 4.8×10⁹（图 4(b)）。器件表现出优异的最大饱和电流 I_MAX，峰值接近 1 A/mm；在 L_GD=0.88, 3.9, 6.8 μm 条件下，I_MAX 分别为 960、900 和 800 mA/mm（图 4(a)）。基于输出特性曲线线性区提取的比导通电阻 R_on,sp=R_ON×(2L_T+L_SD)，在上述三种 L_GD 下依次为 0.4、1.25 和 2.86 mΩ·cm²。此外，器件峰值跨导 gm 介于 78–100 mS/mm 之间，对应栅压 V_G≈−2.25 V。

图 5. 不同 L_GD 器件的三端击穿特性测试结果。

图 6. 不同材料体系下比导通电阻 R_on,sp 与击穿电压 V_BR 的对比（Benchmark）

击穿特性评估采用 Keysight B1505A 功率器件分析仪进行三端高压 I–V 测试。击穿判据定义为漏极电流达到 1 mA/mm 时所对应的漏极电压。测试时施加的栅极偏置为 V_GS=V_P−5 V。对于 L_GD=0.88 μm 的器件，击穿电压 V_BR 达 421 V，对应平均击穿场强 F_BR (=V_BR/L_GD)>4.8 MV/cm（图 5）。L_GD=3.9 μm 与 6.8 μm 的器件均表现出千伏级击穿鲁棒性，击穿电压分别为 1.28 kV（F_BR>3.28 MV/cm）与 2.17 kV（F_BR>3.19 MV/cm）。其中 L_GD=6.8 μm 器件在击穿前始终保持低漏电流（约 2 μA/mm）。无场板结构与栅极连接场板（G_FP）结构的击穿鲁棒性及 L_GD 依赖的击穿场强对比见附图 S1(a)、(b)。基于击穿测试结果与比导通电阻 R_on,sp，估算所得巴利加优值（BFOM）约为 1.65 GW/cm²。上述结果表明，超宽禁带（UWBG）AlGaN 在多千伏级耐压区间处于领先水平的横向功率晶体管平台行列，其性能优于同电压等级的先进 GaN 与 Ga₂O₃ 器件（图 6）。

图 7. L_GD=3.9 μm 器件的小信号测试特性。

图 8. L_GD=3.9 μm 器件的脉冲 I–V 特性测试，ΔV_G=−3 V，V_G=3~–15 V。

射频性能评估采用 Agilent 8510C 矢量网络分析仪进行片上小信号测试。小信号测试在对应峰值跨导的直流偏置点下完成。图 7 给出了 L_GD=3.9 μm 器件提取所得的短路电流增益与最大稳定增益（MSG）。测得其截止频率 f_T 与最大振荡频率 f_MAX 分别为 8.5 GHz 与 15 GHz。上述结果表明，该 UWBG AlGaN 晶体管在 f_T（8.5 GHz）与 V_BR（1.28 kV）的综合性能上处于已报道工作的领先水平；尽管其射频性能主要受限于相对较高的接触电阻及多场板结构引入的寄生电容。值得注意的是，我们此前工作[1]在采用类似外延层的等比例缩小器件结构中，已报道了优异的射频性能（f_T=85 GHz）。采用 Keithley 4200 参数分析仪进行脉冲 I–V 测试以分析陷阱相关效应。测试在 L_GD=3.9 μm 器件上进行，静态栅压 V_GSQ=V_P−2.5 V，静态漏压 V_DSQ=30 V，脉宽 6 μs，占空比 0.1%（图 8）。电流崩塌测试结果表明，脉冲条件下的 I_MAX 约为直流 I_MAX,DC 的 75%。

图 9. 超宽禁带（UWBG）AlGaN 晶体管（沟道 Al 组分 > 40%）的击穿场强 F_BR 与最大饱和电流 I_MAX 性能对比图。

图 9 对比了超宽禁带（UWBG）AlGaN 晶体管（沟道 Al 组分 > 40%）的平均击穿场强与最大饱和电流性能。该对比结果表明，本工作提出的极化场效应晶体管（PolFET）结构在 UWBG AlGaN 器件中实现了最大饱和电流与击穿场强的领先综合性能，显著优于以往研究。

综上所述，本工作成功制备了兼具高击穿场强（>4.8 MV/cm）与优异最大饱和电流（约 960 mA/mm）的 UWBG AlGaN PolFET。通过引入栅极连接场板结构，在较长栅漏间距（L_GD≈6.8 μm）器件中实现了千伏级击穿性能，同时保持较低的比导通电阻，其巴利加优值（BFOM）达 1.65 GW/cm²。此外，射频特性测试表明，L_GD=3.9 μm 器件的截止频率 f_T 与最大振荡频率 f_MAX 分别达 8.5 GHz 与 15 GHz。脉冲 I–V 测试结果显示，在采用 PECVD SiNx 钝化的前提下，器件表现出可接受的陷阱相关效应与电流崩塌。上述结果证实了 UWBG AlGaN 晶体管在击穿场强 F_BR 与最大饱和电流 I_MAX 综合性能上的领先水平，凸显了 UWBG AlGaN 在高耐压功率开关与大功率射频应用领域的巨大潜力。