美国空军实验室等联合团队实现具有超薄缓冲层的AlGaN极化梯度场效应晶体管

译自原文
Scaled ultra-wide bandgap AlGaN polarization-graded FET with ultra-thin buffer layer 

原文链接
https://doi.org/10.1063/5.0319379, APL Electron. Devices 2, 026121 (2026). 

原文作者
Yinxuan Zhu, ¹ Ashley Wissel-Garcia, ² Kidus Guye, ³ Chandan Joishi, ¹ Can Cao, ¹ Seungheon Shin, ¹ Kyle Liddy, ^1,4 Emils G. B. Jurcik, ³ Agnes Maneesha Dominic Merwin Xavier, 1 Andrew A. Allerman, ⁵ Brianna A. Klein, ⁵ Andrew M. Armstrong, ⁵ James S. Speck, ² Samuel Graham, ³ and Siddharth Rajan^1,6  

¹Department of Electrical and Computer Engineering, The Ohio State University, 

²Materials Department, University of California,

³Mechanical Engineering, University of Maryland

⁴Air Force Research Laboratory, Sensors Directorate, Wright-Patterson Air Force Base,

⁵Sandia National Laboratories, Albuquerque,

⁶Department of Materials Science and Engineering, The Ohio State University

项目支持方
美国陆军研究办公室/美国陆军作战能力展司令部（ARO DEVCOM）

摘要

本文报道了具有超薄沟道的超宽禁带AlGaN极化梯度场效应晶体管（PolFET）的设计与实验验证。该器件旨在实现高电流能力、优异的射频性能以及更低的热阻。研究采用极化梯度AlGaN层与超薄赝同构AlGaN缓冲层，在保持高结构质量的同时实现了低热阻。所制备的PolFET在栅压 V_GS = 4 V 时最大软饱和漏极电流密度达到 800 mA/mm，在 V_GS = 0 V 时约为 500 mA/mm；电流增益截止频率与功率增益截止频率 f_T/fmax 分别为 26/28 GHz。通过小信号建模分析了寄生延迟与渡越延迟，并采用栅电阻测温法表征了器件的热行为，与当前最先进的AlGaN HEMT进行了对比。该超薄AlGaN PolFET的热阻仅为 12 K·mm/W，相较于传统AlGaN晶体管结构显著降低。上述结果表明，极化工程化的超宽禁带AlGaN晶体管在射频及毫米波应用中具有可行性，并额外具备热性能改善的优势。

引言 

超宽禁带（UWBG）AlGaN横向晶体管在高频功率放大器应用中具有广阔前景，因为其更高的击穿电场使得Johnson品质因数（JFOM）优于GaN横向晶体管。要实现高性能UWBG AlGaN横向晶体管，必须解决多个挑战，包括电场管理、电流注入和热管理。已有研究在UWBG AlGaN二极管（>8 MV/cm）和HFET（>5 MV/cm）中实现了高击穿电场。通过采用凹槽中的反向梯度接触层或原位反向梯度接触，已在UWBG AlGaN HEMT上实现了高直流电流密度（>1A/mm）和射频性能（f_T/fmax=40GHz/58GHz）。为改善电流注入，采用原位金属有机物化学气相沉积（MOCVD）生长的反向梯度接触，实现了极低的UWBG AlGaN接触电阻。

AlGaN晶体管预期更高的工作电压和功率密度要求良好的热管理。使用薄AlGaN层（其热导率较低）和AlN散热层（薄膜或单晶衬底形式）可以在高Al组分AlGaN晶体管中实现低热阻。AlN单晶衬底因其高本征热导率和同质外延界面处较低的热边界电阻，已被探索作为改善热耗散的平台。然而，AlN单晶衬底仍然昂贵，并且尚未大规模获得大尺寸晶圆，这限制了其可扩展性和实际部署。相比之下，蓝宝石上AlN模板提供了一种更具成本效益且可扩展的替代方案。

然而，在AlN上生长AlGaN沟道层会因极化不连续而产生负极化片电荷，可能导致显著的耗尽和陷阱效应。先前的工作通常采用厚AlGaN缓冲层从AlN模板过渡到AlGaN沟道，这导致了高热阻，因为随机合金AlGaN层的热导率非常差。此外，晶格失配对器件设计的约束也是一个常被忽视的问题。厚层通常表现出部分或完全应力弛豫，导致较差的形貌和结构质量。因此，从外延生长质量和热管理两个角度来看，薄赝同构缓冲层对于未来AlGaN晶体管至关重要。

在本工作中，我们展示了整合多个关键概念以克服UWBG AlGaN器件基本挑战的方案：超薄赝同构AlGaN缓冲层生长、集成低热阻薄缓冲层，以及利用极化梯度沟道在不重掺杂的情况下增强电流能力。由此实现了极化梯度场效应晶体管（PolFET），在 V_GS=4 V时最大电流密度超过800 mA/mm，在V_GS=0 V时为500 mA/mm；电流增益截止频率f_T 和最高振荡频率 f_max 分别为26 GHz和28 GHz。这些结果凸显了极化工程超宽禁带AlGaN晶体管的可行性，能够同时实现强电流驱动能力、有竞争力的射频性能和降低的热阻（12 K·mm/W）。

实验 

实验所用的外延设计如图1(a)所示，包括：300 nm AlN缓冲层2.5 × 10²⁰ cm⁻³ Si δ掺杂；4 nm非故意掺杂Al_0.5Ga_0.5N 间隔层以减轻杂质散射；以及40 nm梯度沟道层（Al组分从50%梯度变化至75%的AlGaN），Si浓度为2 × 10¹⁸ cm⁻³ 。赝同构AlGaN层总厚度为45 nm。Si δ掺杂可以补偿界面处的负极化电荷。图2给出了不同Si δ掺杂水平下PolFET结构的能带图和电荷分布。在AlN/Al_0.5Ga_0.5N 界面处无Si δ掺杂或掺杂过低时[图2(b)]，负极化电荷未得到补偿，会导致空穴陷阱，从而引发电流崩塌，这在此前N极性GaN HEMT中曾有报道。界面处Si δ掺杂过高[图2(d)]会产生寄生电子沟道。在生长过程中采用适当的Si δ掺杂[图2(c)]，可以补偿负极化电荷并避免界面处产生寄生沟道。

PolFET沟道生长在AlN/蓝宝石模板衬底上，该衬底由约3 μm AlN和0.2°偏切单面抛光蓝宝石晶圆构成。外延生长采用氨分子束外延（NH₃-MBE），设备为配备标准金属源炉、掺杂源炉和氨气淋喷头的Veeco GEN930系统。在适当的晶圆和表面准备之后，生长AlN成核层。随后暂停生长，将衬底温度升至850°C，并调整AlGaN生长条件（Al束等效压强BEP= 5 × 10⁻⁸ Torr，Ga BEP = 8.59 × 10⁻⁸ Torr，In BEP= 5 × 10⁻⁸ Torr）。在此期间保持少量In通量（BEP= 5 × 10⁻⁸  Torr）以促进表面平整。然后生长1 nm重掺杂Al_0.5Ga_0.5N层（[Si]= 2.5 × 10²⁰ cm⁻³ ），接着生长4 nm相同组分的非故意掺杂间隔层。之后再次短暂暂停以调整Si源炉温度。最后，通过同时改变Al和Ga源炉温度生长梯度Al_xGa_1−xN 沟道，保持恒定的V/III比，以确保沟道内生长速率恒定且Si掺杂均匀。原子力显微镜表征显示表面形貌平滑，均方根粗糙度为0.134 nm[图3(c)]。使用高分辨X射线衍射（HR-XRD，Bruker XRD）确认了层厚和Al组分，并通过XRD倒易空间映射（RSM）确认了完全应变生长，如图3(a)和3(b)所示。

工艺流程首先通过电子束蒸发沉积V/Al/Ti/Au（20 nm/80 nm/20 nm/80 nm），然后在N₂环境中850°C快速热退火2分钟。采用Cl₂基感应耦合等离子体反应离子刻蚀进行台面隔离。栅极金属Ni/Au（30 nm/100 nm）通过光学和电子束光刻图案化，并用电子束蒸发沉积。

 图1. (a) 氨分子束外延（NH₃-MBE）生长的极化梯度AlGaN FET的外延结构；(b) 图(a)所示外延结构的能带图及由一维薛定谔-泊松求解器生成的电荷分布。

图2. AlGaN PolFET结构示意图及能带图。 (a) 器件结构与外延层示意图。能带图展示了三种情况：(b) 无δ掺杂；(c) 中等δ掺杂（2.5 × 10²⁰ cm⁻³）；(d) 高δ掺杂（4 × 10²⁰ cm⁻³）作为背势垒。

图3. (a) PolFET外延层的XRD 2θ-ω扫描曲线；(b) 外延层叠层的XRD倒易空间映射（RSM）数据；(c) 生长态PolFET表面的原子力显微镜（AFM）图像。

结果与分析 

范德堡结构霍尔测量提取的面电荷密度为1.86 × 10¹³ cm⁻² ，电子迁移率为 76 cm² /V s,，薄层电阻率为4.38 kΩ/◻。利用电容-电压（C-V）特性曲线提取了表观电荷密度随深度的变化[图5(b)]。表观载流子密度与模拟结果吻合良好。沟道底部位于预测位置（约40 nm处），且AlN/AlGaN界面处未观察到寄生沟道。这表明Si掺杂补偿了负极化电荷，同时没有引入额外的寄生电子沟道，与图2(c)的情况相似。

直流三端特性使用Agilent B1500参数分析仪测量。传输线法（TLM）测试得到接触电阻和薄层电阻分别约为4.8 Ω·mm和4.36 kΩ/□，如图4(b)所示。图5(a)展示了在AlGaN PolFET结构栅二极管上测得的双扫C-V特性。在大的负偏压下，电容保持很小，表明梯度n-AlGaN层完全耗尽。当偏置向较不负的方向（-10 V至0 V）增加时，电容急剧上升。这对应于耗尽宽度减小以及极化梯度n-AlGaN区域开始积累。陡峭的上升表明梯度n-AlGaN层中具有高电荷密度。从C-V特性提取的电荷分布如图5(b)所示，与图2(c)中的模拟曲线吻合良好。重要的是，正向和反向扫描几乎完全重叠，表明迟滞可忽略。这说明AlN/Al_0.5Ga_0.5N 界面处的负极化被Si δ掺杂适当补偿，从而抑制了界面处空穴陷阱的形成。因此，陷阱相关的电荷动力学不会显著影响双扫C-V响应。

如图6(a)所示，本文报道的缩放晶体管具有源漏间距1 μm、栅漏间距500 nm、栅长200 nm。在V_GS = +4 V和 V_DS = 20 V 下，测得最大电流密度超过800 mA/mm[图6(b)]。为了便于一致比较，在V_GS = 0 V 和V_DS = 20 V 下定义的漏极电流密度约为500 mA/mm。这是UWBG AlGaN晶体管中获得的最高电流密度值之一，也是梯度AlGaN PolFET中报道的最高值。从转移特性[图6(c)]提取的跨导约为70 mS/mm，阈值电压为-12 V。夹断电压与总沟道电荷密度和沟道厚度成比例，对于均匀电荷密度沟道，可以估计为：

其中 n_s 为沟道面电荷密度，h为沟道厚度，ϵ为AlGaN介电常数，V_bi 为肖特基结内建电压。根据面电荷密度1.8 × 10¹³ cm⁻²  和Ni/AlGaN 肖特基势垒内建电压2.4 eV，我们得到 V_bi + V_p ∼ −12 V，与实测阈值电压接近。晶体管的开关比约为10⁴，受限于样品中的高栅泄漏。未来可通过栅堆栈工程降低栅泄漏，例如参考文献[4]中的方法。

图4. (a) 不同接触间距下TLM图形的两端I–V特性曲线；(b) TLM数据的线性拟合，用于提取接触电阻和薄层电阻。

图5. (a) AlGaN PolFET栅二极管上的双扫电容–电压（C–V）特性曲线；(b) 由C–V曲线提取的电荷分布，以及与图2(c)中模拟电荷分布的对比。

图6. (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) 漏极电流与栅极电流（I_D 和 I_G）随 V_G 变化的对数坐标图。

图7. 提取的电流增益、最大单向增益（MUG）和最大稳定增益（MSG）随频率的变化曲线。

表I. 基于实测S参数提取的小信号电路模型元件值。

此外，由于本PolFET结构中梯度沟道区域相对较厚，激进的栅长缩放可能会引入增强的短沟道效应。而且，简单地减薄沟道厚度会增加薄层电阻。为了解决这些缩放限制，可以通过降低梯度层厚度并提高末端Al组分（例如向约85%方向）来进一步优化沟道设计。更高的末端Al组分增强了极化梯度，从而增加了极化感应电子电荷密度。此外，保持沟道非故意掺杂可以减少杂质散射并提高电子迁移率。这种更薄的极化工程AlGaN沟道为在缩放器件中同时抑制短沟道效应并保持低薄层电阻提供了一条可行路径。

图8. 器件结构示意图：(a) 具有超薄δ掺杂背势垒的AlGaN PolFET；(b) 具有厚缓冲层的AlGaN HEMT；(c) 用于四端法测量栅电阻的器件布局与配置。

图9. (a) AlGaN PolFET 和 (b) AlGaN HEMT 在 V_GS = 0 V 偏置点附近的输出特性曲线。

晶圆上小信号测量使用Agilent 8722ES网络分析仪进行，栅极偏置为-3.5 V，漏极偏置为20 V。从电流增益（∣h21∣）、最大单向增益（MUG）和最大稳定增益（MSG）随频率的变化（图7）中，器件表现出电流增益截止频率 f_T为26 GHz，最高振荡频率 f_max 为28 GHz。对于高Al组分AlGaN极化梯度FET而言，这是出色的电流密度和高频性能，显示了这些器件在未来射频应用中的潜力。该器件的fmax 主要受限于与I型栅结构相关的较高栅电阻。进一步优化栅极结构（例如T型栅）并改善电流饱和（降低 g_ds）预期将提高 f_max。

为进一步研究该器件的高频行为，进行了小信号建模。利用不同偏置条件下的S参数提取了小信号等效电路模型中的寄生和本征电路元件，寄生元件和本征元件总结在表I中。我们发现与外部电阻相关的寄生延迟 τ_p 和与本征栅源电容相关的渡越延迟τ_tran 分别计算为3.6 ps和3 ps。寄生延迟主要归因于较高的接触电阻（4.8 Ω·mm），而渡越延迟则源于栅长缩放不足。未来工作将重点通过将反向梯度接触层与PolFET集成来改善接触，并进一步缩放器件尺寸。

为对超薄AlGaN PolFET进行热表征，并与具有更厚AlGaN缓冲层的最先进AlGaN HEMT进行对比，采用了栅电阻测温法（GRT）。两种器件用于热表征的AlN/蓝宝石厚度均约为3 μm。该技术利用栅金属电阻随温度变化的特性进行监测。图8(c)展示了本研究所用的GRT布局。用于热表征的器件具有相同的栅极几何形状，但整体器件尺寸与图8(a)和8(b)所示的缩放器件不同。图8(b)中AlGaN HEMT的制造和直流性能细节见补充材料。热测量期间，器件背面通过温控台（SanjSCOPE EZ500）维持在20°C。使用热界面材料以降低热接触电阻，并在校准期间将热电偶直接放置在器件表面以最小化温度测量不确定度。

图10. HEMT与PolFET器件在不同功率密度下栅金属的温升对比。

首先执行校准步骤以提取电阻温度系数（TCR），然后利用校准后的电阻-温度关系量化器件在各种电偏置条件下的温升。这种方法能够直接评估工作期间的自身发热。

利用提取的TCR，在V_GS = 0 V 下偏置每个器件，并测量温升随施加漏极偏压的变化。两种器件在 V_GS = 0 V附近的输出特性如图9所示。图10显示了温升随功率密度的变化以及线性拟合。从这些斜率中提取热阻值以比较两种器件的性能。使用COMSOL Multiphysics进行了数值模拟，模拟设置与Aller等人工作中的数值模拟设置类似。模拟针对不同功率密度进行，并与实验结果一起绘制。结果显示数值模拟与实验结果吻合良好（图10）。PolFET器件表现出12 K·mm/W的热阻，而HEMT器件则显示出明显更高的30 K·mm/W。PolFET热阻较低主要归因于其更薄的AlGaN层，这降低了导热热阻，同时器件工作方式的不同也影响了热量产生和耗散。这些结果突显了材料厚度和器件架构对AlGaN基技术热性能的影响。

图11. 基准对比图：(a) 最大电流密度（I_max）与面电荷密度（n_s）的关系，并与理论最大电流密度进行对比；(b) 电流增益截止频率（f_T）与1/栅长（L_G）的关系，并与理论最大电流增益截止频率进行对比。

结论 

所展示的UWBG AlGaN PolFET具有最大漏极电流800 mA/mm（V_GS = 0 V时约500 mA/mm）和电流/功率增益截止频率（f_T/f_max）26/28 GHz，表明其对于超宽禁带AlGaN晶体管具有有竞争力的射频性能。热表征显示，与传统的厚AlGaN HEMT结构相比，超薄PolFET的热阻降低至12 K mm/W。

这些成果通过采用超薄外延AlGaN沟道设计实现，并由δ掺杂界面补偿负极化电荷。超薄赝同构AlGaN层在保持强载流子限制的同时，为未来器件缩放提供了改善的热管理。

与已报道的突变异质结构器件相比，本器件的射频性能相当，而极化梯度结构还提供了额外的优势，包括无需势垒即可集成反向梯度欧姆接触的兼容性、改善的线性度潜力以及增强的热性能（图11）。总的来说，本文展示的超薄极化工程外延设计为推进UWBG AlGaN晶体管向射频和毫米波应用发展提供了一条可行途径。

 原文源于【AIP Publishing】官网