行业 | 加州大学：高温反而更强-- N极性高铝AlGaN HEMT器件的300°C直流与射频性能

译自原文
Up to 300 ℃ DC-RF performance of N-polar Al-rich AlGaN channel HEMT grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy

原文链接
https://doi.org/10.1063/5.0322743
APL Electronic Devices 2, 036114 (2026)

原文作者
Harsh Rana, ^1,a) Md. Irfan Khan, ¹ Stefan Kosanovic, ¹ Rijo Baby, ² Manoj Mohan, ² and Elaheh Ahmadi^1
1 Department of Electrical and Computer Engineering, University of California,
² Department of Electrical and Computer Engineering, University of California,

项目支持方
美国国防高级研究计划局（DARPA）、美国陆军研究办公室（ARO）

摘要

本文报道了一种采用等离子体辅助分子束外延（PAMBE）生长的 N 极性 Al₀.₅₅Ga₀.₄₅N 沟道高电子迁移率晶体管（HEMT），该器件在高温下表现出稳定的直流与射频性能。在 300°C 时，器件呈现出改善的电学特性，包括 246 Ω·mm 的沟道接触电阻、37.4 mA/mm 的最大漏极电流以及 4.7 mS/mm 的跨导，同时阈值电压稳定在 −5.4 V。因此，与室温相比，器件的射频性能得到提升，在 300°C 时截止频率（f_T）和最高振荡频率（f_max）分别提高至 0.62 GHz 和 1.19 GHz。

引言

基于 AlGaN 的高电子迁移率晶体管（HEMT）对下一代电力电子与射频（RF）应用至关重要。作为一种超宽禁带（UWBG）半导体，AlGaN 具有高临界电场（AlN 的E_c > 10 MV/cm）。由于其合金组分可调，其禁带宽度可在约 3.4–6.0 eV 范围内调节。结合高面电荷密度（n_s ≈ 10¹³ cm⁻²）与高电子饱和漂移速度，AlGaN 沟道器件在理论上可实现高于传统 GaN 基 HEMT 的约翰逊优值（JFOM），从而具备更优异的功率与射频性能。

由于 III 族氮化物材料缺乏反演对称性且具有极性，GaN 基 HEMT 通常在两类极性面上实现：金属（Ga）极性面与氮（N）极性面。多项研究已证明，N极性 GaN HEMT 的性能优于其金属极性对应器件。N 极性AlGaN HEMT 也被预期具备同样的理论优势，包括更低的接触电阻、可抑制漏电流的内建背势垒，以及由更小的栅–沟道间距所带来更佳的可缩放性。

近期关于 AlGaN 沟道 HEMT 的研究主要集中在采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或等离子体辅助分子束外延（PAMBE）生长的金属极性器件，两者均已展现出令人印象深刻的性能。此外，针对 N 极性 AlGaN 场效应晶体管（FET）的研究表明，这类器件相比金属极性对应器件具有实现更优性能的巨大潜力。再者，作为一种超宽禁带材料，AlGaN 在高温（HT）下表现出卓越的热稳定性，能够在高功率、高温条件下稳健工作。

在高铝组分的 AlGaN 沟道 HEMT 上实现低阻欧姆接触，仍是重大挑战。这归因于电子亲和能降低以及随铝摩尔分数升高而增大的导带阶跃，二者严重制约器件性能。采用 n⁺⁺ 反向渐变 AlGaN 层（从沟道铝组分渐变至较低铝组分）等技术已被证明可获得优异的沟道接触电阻。然而，由于 AlGaN 与 AlN 表面极易氧化，会阻碍有效的再生长以及与沟道的正确接触形成，从而带来额外挑战。为此已提出多种缓解方案，包括使用 GaN 盖层防止表面氧化，或如本工作所采用的、原位生长 n⁺⁺ 层后再对欧姆接触区进行刻蚀。

本工作中，我们报道了一种 PAMBE 生长的 N 极性AlGaN HEMT，其沟道铝含量为 55%，并在最高 300°C 的工作温度下进行了表征。该器件表现出稳定的射频与直流特性，接触电阻、漏极电流、跨导以及截止频率（f_T）和最高振荡频率（f_max）均有所改善。这些结果展示了 N 极性AlGaN HEMT 在高功率、高频及高温电子应用中的潜力。

器件制备

AlGaN HEMT 采用 Veeco GenXplor PAMBE 系统，在N极性AlN单晶衬底上外延生长。外延结构包括：100 nm 厚的 AlN 缓冲层、50 nm 厚的 Al₀.₈₅Ga₀.₁₅N 层、20 nm 厚的 Al₀.₅₅Ga₀.₄₅N 沟道层、100 nm 厚的 n⁺⁺（Si 掺杂浓度 1×10²⁰ cm⁻³）Al_xGa₁₋ₓN 层（组分从 x=0.55 线性渐变至 0.20），以及 2 nm 厚的 n⁺⁺ GaN 盖层，用于防止表面氧化物的形成。

制备工艺首先沉积 Si₃N₄/Al₂O₃/SiO₂ 硬掩模，并对欧姆接触区进行图形化。采用 Oxford PlasmaPro 100 Cobra 电感耦合等离子体（ICP）-反应离子刻蚀（RIE）原子层刻蚀（ALE）设备，将 GaN 盖层与渐变 AlGaN 刻蚀至沟道，使欧姆接触区形成 13 nm 厚的 Al₀.₅₅Ga₀.₄₅N 沟道，表面粗糙度由生长态的均方根 3.5 nm 改善至 3.16 nm，如图 1(b) 所示。随后用 HF:HNO₃（1:1）溶液去除硬掩模，接着进行台面图形化，并用 BCl₃/Cl₂ RIE 刻蚀出 350 nm 深度。在沉积介质层之前，再次用 HF:HNO₃（1:1）溶液清洗表面，随后沉积 7 nm 厚的低压化学气相沉积（LPCVD）Si₃N₄。然后进行欧姆接触图形化，刻蚀掉 LPCVD Si₃N₄，再采用 Ti/Al/Ni/Au（20/100/10/50 nm）叠层形成合金欧姆接触。接触在 N₂ 气氛中于 800°C 退火 30 s。最后进行栅极与探针焊盘图形化，并采用电子束蒸发分别沉积 Ti/Pt（20/200 nm）。最终器件结构如图 1(a) 所示。

图 1.（a）制备的 AlGaN HEMT 器件示意图。（b）ALE 后欧姆接触区的原子力显微镜（AFM）扫描图（均方根粗糙度 3.16 nm）。

原位反向渐变 AlGaN 层实现了与 Al₀.₅₅Ga₀.₄₅N 沟道的欧姆接触。传输线模型（TLM）测量得到金属到 n⁺的接触电阻（R_c）为 0.221 Ω·mm，方块电阻（R_sheet）为 311.8 Ω/□。对于金属到 n⁺ 再到沟道的测量，提取得到的 R_c 为 419.4 Ω·mm，而 R_sheet 测得为 91 kΩ/□。沟道方块电阻与接触电阻均高于文献报道值，主要归因于较低的电荷密度（图 3）以及较差的外延生长质量 [图 1(b)]，导致迁移率低于预期。本课题组目前正在通过修改外延结构设计与生长条件，努力提升这些薄膜中的电子迁移率与电荷密度。本工作所报道的器件栅宽为 100 μm，栅长（L_G）为 700 nm，源–栅间距（L_SG）为 500 nm，栅–漏间距（L_GD）为 1 μm。此外，采用 MPI-TS150 温控镀金载台，在最高 300°C 的温度下对接触与沟道电荷进行了表征。使用钨针探针与 Keysight B1500A 分析仪测量 TLM 结构与圆形电容器。如图 2(a) 与 2(b) 所示，n⁺ 区与沟道区的 R_c 在 300°C 时分别降至 0.205 Ω·mm 与 246 Ω·mm。方块电阻随温度升高而增大，n⁺ 区达到 351.6 Ω/□，沟道区达到 166.14 kΩ/□。面电荷密度（n_s）由直径 100 μm 圆形电容器的电容–电压（C–V）测量提取得到，如图 2(c) 所示。利用关系式 R_sheet = 1/(q · n_s · μ_ch) 提取沟道迁移率（μ_ch），结果如图 2(c) 所示。室温迁移率为 45.5 cm²/V·s，在 300°C 时降至 18.3 cm²/V·s，这与声子散射增强所导致的预期下降相一致。

图 2.（a）n⁺ 区与（b）沟道区的接触电阻和方块电阻随温度的变化，（c）面电荷密度（ns）与沟道迁移率随温度的变化。

为理解这种低电荷与低迁移率的成因，我们使用了一维薛定谔–泊松求解器 BandEng 来计算器件中的电荷。如图 3 所示，采用 SiN 而非先前报道的 Al₂O₃ 作为介质层，会降低沟道电荷密度——20 nm 沟道的电荷密度由 Al₂O₃ 时的 1.2×10¹³ cm^-2降至 7×10¹² cm^-2。仿真中所采用的介质参数为：HfSiO₂ 的禁带宽度（E_g）为 5.8 eV、导带阶跃（ΔE_c）为 1.9 eV，而 Al₂O₃ 相应为 6.5 eV 与 3.0 eV。此外，由于这些器件采用了 ALE 刻蚀，刻蚀深度随图形尺寸存在变化；对于 C–V 焊盘（大面积图形），刻蚀深度更大，相应的仿真电荷密度与实验测得的约 1.2×10¹² cm^-2 相吻合。

图 3. 采用不同介质层（SiN 或 Al₂O₃）与不同刻蚀深度（20、13、8 nm）的 HEMT 能带图。

结果与讨论

器件制备完成后，首先在室温（RT）下进行测量。不同栅压（V_G）下的漏极电流（I_D）–漏极电压（V_D）特性如图 4(a) 所示。在 V_D = +6 V、V_G = +3 V 时观察到 28 mA/mm 的峰值漏极电流。I_D 与栅电流（I_G）随 V_G 的变化特性如图 4(b) 所示。观察到 28 nA/mm 的低栅漏电，对应的 I_on/I_off 电流比约为 10⁶。在 V_D = 0 V 时测得正向栅击穿电压为 +3.64 V。我们还进行了三端关态击穿测量；然而受设备限制，V_G 被设为 −30 V。尽管器件在 V_G = −10 V 时已进入关态。对于 1 μm 的 L_gd，实现了 212 V 的击穿电压（V_BD）。

我们采用 Keysight B2902A 源测量单元（SMU）连接 PNA 网络分析仪，配合额定温度最高 300°C 的 FormFactor GSG-Z 探针，表征高温 I–V 特性。V_G = +3 V 时不同温度下的 I_D–V_D 特性如图 4(c) 所示。在 V_D = 7 V 时，最大漏极电流 I_D,max 由室温的 29.2 mA/mm 提升 28% 至 300°C 时的 37.4 mA/mm。由于在 75°C 时迁移率下降而接触改善，接触方面的改善超过了迁移率的退化，因而允许更高的漏极电流。当温度升至 150°C 时，迁移率的退化远大于接触电阻的改善。然而当温度进一步升高时，迁移率的退化趋于饱和，而接触电阻则持续下降。室温与 300°C、V_D = 5 V 下的 I_D 与跨导（g_m）随 V_G 的变化如图 4(d) 所示。室温下在 V_G = −2.6 V 时观察到 3.4 mS/mm 的峰值 g_m，在 300°C 时提升 38% 至 4.7 mS/mm，同时阈值电压（V_TH）在室温与 300°C 下均稳定保持在 −5.4 V。

图 4. 室温下（a）I_D–V_D 与（b）I_D–V_G 特性，（c）25 至 300 °C 范围内的 I_D–V_D 特性，以及（d）25 °C 与 300 °C 下的 I_D、g_m 随 V_G 的变化。

在室温、150°C 与 300°C 下进行小信号测量，采用与直流 I–V 测量相同的装置。在每次温度测量之前，使用 CSR-8 校准基板在 0.1–0.5 GHz 频率范围内执行 Line-Reflect-Reflect-Match（LRRM）校准。图 5(a) 显示了由室温测量数据外推得到的 f_T 与 f_max。由外推数据得到室温下 f_T 为 0.42 GHz、f_max 为 0.56 GHz。在 300°C 时两项指标均得到改善，f_T 提升至 0.62 GHz、f_max 提升至 1.19 GHz，如图 5(b) 所示。这一增强主要归因于接触电阻较室温值降低近 40%，从而使得 I_D,max 更高、g_m 更大、导通电阻（R_on）更低。

图 5.（a）室温下的小信号测量结果及 f_T/f_max 拟合；（b）25 至 300 °C 范围内的 f_T 与 f_max（L_G = 0.7 μm）。

将这些器件与其他标准的无势垒掺杂或极化掺杂、且未加场板的 AlGaN HEMT 进行对标，结果表明其电流性能与已报道的相近铝含量器件相当 [图 6(a)]。此外，如图 6(b) 所示，从该器件中提取得到击穿电场（E_c）为 2.12 MV/cm，可通过施加场板进一步提高。

图 6. AlGaN HEMT 性能对标：（a）I_D 与（b）E_c 随沟道铝组分的变化，对标器件均未采用场板或额外掺杂（HFET 或 PolFet）。

结论

本工作报道了一种 PAMBE 生长的 N 极性Al₀.₅₅Ga₀.₄₅N 沟道 HEMT 器件，该器件在高温下展现出显著的射频性能稳定性。尽管载流子迁移率由室温的 45.5 cm²/V·s 降至 300°C 时的 18.3 cm²/V·s，但反向渐变接触的改善使接触电阻降低了 40%，达到 246 Ω·mm。这一改善带来了更低的导通电阻、300°C 下 37.4 mA/mm 的更高 I_D,max 以及 4.7 mS/mm 的 g_m。由此观察到射频性能的提升，300°C 时 f_T 与 f_max 分别提高至 0.62 GHz 与 1.19 GHz。这些结果凸显了高铝组分 AlGaN 沟道 HEMT 在高温工作条件下的高频与高功率电子应用中的巨大潜力。

 原文源于【AIP Publishing】官网