原文作者：赵正平，中国电子科技集团公司，固态微波器件与电路全国重点实验室
原文发表于:半导体技术 第48卷第5期
DOI:10.13290/j.cnki.bdtjs.2023.05.001
文章编号：1003-353X (2023)05-0361-14
引言：
目前在功率电子学领域，以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体器件与电路已成为当今产业发展的主流，而在后摩尔时代，功率电子领域的超宽禁带半导体的发展受到人们的广泛关注，在该领域前瞻性发展中，以禁带宽度最宽的半导体著称的AIN功率电子学的研究也呈现出勃勃生机的发展势态，同Ga2O3、金刚石等超宽禁带半导体将成为下一代固态功率电子学的研究热点。近期人们预测将开启以异质结的异质结构为特点的射频超宽禁带半导体功率电子学的新发展阶段。
AIN是超宽禁带半导体，其禁带宽度为6.2eV，具有良好的电子迁移率（450cm2·V-1·S-1）、高电子饱和速度（2.2×107cm2/V）、高击穿场强（15MV/cm）和高热导率（350W·m-1·K-1）等特点，Baliga优值（BFOM）为1.5×104，可实现高功率和高温应用。与β-Ga2O3，相比，单晶AIN具有更高的热导率和BFOM；与金刚石相比，AIN更具成本效益和可行性，并且由于其掺杂能级较浅，在体材料中更适合n型重掺杂。虽然AIN单晶生长的尺寸一直为2英寸（1英寸=2.54cm）左右且价格昂贵，但采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）技术制备的大尺寸、高质量AIN及合金的单晶薄层的异质外延和超晶格新结构近几年已有新的突破，并带动了AIN功率二极管、AIN功率高电子迁移率晶体管（HEMT）和AIN射频（RF）功率HEMT的新发展。超宽禁带AIN作为新的衬底、势垒层、缓冲层和钝化层将继续推动新一代毫米波GaN功率HEMT的发展。具有高热导率的AIN单晶薄层和AIN多晶陶瓷在解决各类器件高功率工作时的散热难题中也将发挥重要作用。本文将从AIN功率二极管、AIN功率HEMT、AIN增强GaN HEMT和AIN的热管理应用等几方面综述AIN功率电子学的发展路线、最新进展和发展趋势。
1. AIN功率二极管
与GaN功率二极管相比，AIN功率二极管具有高关断电压的优势。2012年，Y. Irokawa等人报道了在AIN自支撑衬底上制备的肖特基势垒二极管（SBD），该器件在-40V时的反向漏电流为0.1nA。近几年对于AIN功率二极管的研究仍处于科研开发阶段，主要的结构有AIN SBD和AIN pin二极管，正在向着高击穿电压、低理想因子和低导通电阻的方向发展。
体AIN衬底的价格仍然很昂贵，并且也没有现成的重掺杂n-AIN衬底，为此，在AIN衬底上横向和纵向的AINSBD在商业上缺乏吸引力或研究氛围。近年来，采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上实现了具有高晶体质量的AlN外延层，开辟了实现高性价比的AIN器件的新路径。2017年，H. Q. Fu等人报道了采用MOCVD技术制备的蓝宝石衬底上超宽带隙AlN肖特基二极管，外延生长1μm厚的Si掺杂AlN层（Si掺杂浓度为3×1018cm-3），该横向Pd/n-AlN肖特基二极管的欧姆接触为Ti/Al/Ti/Au。测试结果表明，在-30V电压下的表面击穿场强和表面漏电流分别为122~450V/cm和0.4μA/cm。同年，H. Q. Fu等人又报道了关断电压超过1kV的AIN SBD，基于MOCVD技术制备了蓝宝石衬底上AIN肖特基二极管，该器件结构模拟绝缘体上硅（SOI）技术，薄的n-AIN外延层作为器件的有源区，厚的AlN电阻层作为绝缘体。在室温下，该器件表现出优异的性能：具有1.2V的低开启电压，约105的高开关电流比，5.5的低理想因子，小于1nA的较低反向漏电流，并具有500K以上的热稳定性。理想因子（n）和肖特基势垒高度（SBH）是用于评估SBD质量的两个关键参数。GaN和SiC SBD的n均已接近1，而AlN SBD的n仍然比1大得多，这是由于AlN的超宽带隙和大的电荷中性能级（CNL）造成的。对于AIN SBD，人们一直期望其具有更大的SBH。2019年，Q. Zhou等人研究了采用物理气相传输在非极性AlN上生长的肖特基二极管的势垒不均匀性。在室温下，该Ni/Au-AlN SBD的n为3.3，有效SBH为1.05eV；在高温下，n减小，有效SBH增大。n和SBH对温度依赖性可用不均匀性模型来解释。通过对电流-电压特性的不均匀性分析，得到了Ni-AlN 肖特基结的平均SBH为2.105eV。提出了一个方程描述不均匀SBD的电流-电压特性，方程中的参数在热离子发射理论中具有明确的物理意义。由于AIN和蓝宝石之间较大的晶格不匹配，生长在蓝宝石，上的AlN样品的螺形位错一般在108~1010cm-2范围内。减小在蓝宝石上AIN的螺形位错，对于提高器件性能至关重要，如AlGaN基或AIN基有源器件的击穿电压，理想情况下的螺形位错范围是106cm-2或更低。2020年，X. F. Ni等人通过对功率二极管进行高温退火以改善AlN材料的质量。采用MOCVD技术在2英寸蓝宝石衬底上生长厚度为300nm的AIN成核层。通过在1670~1730℃的高温下对AlN薄层进行高温处理，AIN的质量得到显著提高。然后在顶部再生长AIN层。AlN成核层的热处理使AIN材料进行了再结晶，显著降低了AlN（002）和（102）面的X射线摇摆曲线的半高宽（FWHM）值，同时也产生了显著的原子阶梯效应，提高了成核层的透射率。得到的高质量AlN样品可用于AlN肖特基二极管的制备。
由于施主掺杂（如Si）激活的相关问题，基于AIN沟道的器件的发展仍然远远落后于其理想状况。在AlN晶体中施主杂质的激活能级较深（70~250meV），而0.026eV的室温热能不足以电离这些杂质，导致其激活效率较低。因此，为了保持一定的载流子浓度，AlN总是被大量掺杂，导致粗糙的表面形貌和较低的载流子迁移率。在GaN晶体中施主Si的激活能约为12~17meV，电子迁移率为2000 cm2·V-1·S-1。为此，提出了在AlN外延生长期间加入少量掺Si的GaN，可高效率进行施主激活，避免在晶格中引人过多的施主杂质，并在对其带隙影响较小的情况下支持高临界电场。2020年，Y. N. Zhang等人报道了具有改进的导通电流和理想因子的2kV Al0.85Ga0.15N SBD。该SBD由蓝宝石衬底、200 nm厚的非故意掺杂的AlN缓冲层和500nm厚的掺Si Al0.85Ga0.15N沟道层组成，采用MOCVD技术制备，沟道层的净载流子浓度提高到2×1017cm-3表面粗糙度达到0.33nm。该器件的反向阻断电压为2kV，室温下的理想因子为2.3，其导通电流比已报道的AIN SBD提高了一个数量级，开关电流比大于106。
2017年，R. J. Kaplar等人对准垂直结构的AlGaN pin二极管进行了研究分析。采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长的多层外延层结构包括：1.6μm厚的AIN层、0.6μm厚的非掺杂的Al0.3Ga0.7N层、1.2μm厚的重掺杂n+Al0.3Ga0.7N接触层、1μm厚的Al0.3Ga0.7N过渡层（Si掺杂梯度下降）、4.3μm厚的n漂移层（掺杂浓度约为5×1016cm-3，电子迁移率约为150cm2·V-1·S-1）、0.4μm厚的Al0.3Ga0.7N p-Mg掺杂层（Mg的掺杂浓度约为4×1019cm-3）、10nm厚的组分梯度过渡到Al0.05Ga0.95N层、20nm厚的p-Al0.05Ga0.95N层、2.5nm厚的p+ GaN接触层。该AlGaN pin二极管的反向击穿电压大于1600V，正向差分比导通电阻为16mΩ·cm2，单极品质因数为150MW/cm2。
2. AIN功率HEMT
超宽禁带AIN功率HEMT正在向着更高的击穿电压、更大的导通电流、更低的导通电阻、更高的截止频率和最高振荡频率（fT和fmax）以及更高的输出功率的方向发展。将AlN的大禁带宽度的特点和GaN的掺杂低激活能及高电子迁移率相结合，形成新的合金材料和超晶格、量子阱结构，在超宽禁带AlN和超宽禁带Ga2O3形成异质结等技术创新发展思路的指引下，使得AIN功率HEMT的发展呈现多种技术路线：AlN/Al0.85Ga0.15N HEMT、AlN/GaN/AlN量子阱HEMT、GaN/AlN 肖特基栅P沟道异质结场效应晶体管（HFET）和AlN/β-Ga2O3异质结HEMT。
各类高Al组分超宽禁带沟道的HEMT器件的研究新进展包括： Al0.85Ga0.15N沟道层的禁带宽度为5.8eV，AlN/Al0.85Ga0.15N HEMT器件的二维电子气（2DEG）密度约为6×1012cm-2，沟道电子迁移率约为250cm2·V-1·s-1；SiC上Al0.8Ga0.2N/AlN的N极性极化掺杂的场效应晶体管（FET）的漏极电流密度超过100mA/mm；AlN/AlGaN/AlN双异质结构HEMT的击穿电压达到4.5kV；Al0.75Ga0.25N/ AlxGa1-xN/AlN/SiC金属氧化物半导体异质结场效应晶体管（MOS-HFET）的最大漏源电流密度为299.3mA/mm；AIN衬底上Al0.85Ga0.15N/Al0.6Ga0.4N HEMT的台面击穿场强可达9MV/cm。
2017年，R. J. Kaplar等人对AlN/Al0.85Ga0.15N HEMT器件进行了分析总结。采用MOCVD技术在蓝宝石衬底上生长的多层外延结构包括：AIN缓冲层、Al0.85Ga0.15N沟道层和40nm厚的AIN势垒层。Al0.85Ga0.15N沟道层的禁带宽度为5.8eV，该HEMT器件的2DEG密度约为6×1012cm-2，沟道电子迁移率约为250cm2·V-1·s-1，栅极长度为2μm。由于源极和漏极电阻的限制，器件的漏极电流密度为2mA/mm，反向击穿电压为810V，开关电流比大于107。为了研制N极性的AlGaN器件，需要对材料质量和器件技术进行优化。在N极化的GaN（AlGaN）中存在典型的六角小丘和台阶群聚。虽然这些表面形貌在GaN生长中很早就被固定下来，但该问题最近在采用金属有机物气相外延（MOVPE）技术在SiC上生长N极性的AIN层时刚被解决。2019年，J. Lemettinen等人报道了漏极电流密度超过100mA/mm的SiC上Al0.8Ga0.2N/AlN的N极性极化掺杂FET。该器件将N极性结构、改进的基于边缘接触技术和极化梯度的具有大电荷密度的3D电子气等三个关键技术相结合，使制备的器件电流密度大于120mA/mm。采用MOVPE技术在半绝缘碳面6H-SiC衬底上生长的多层外延材料结构包括：50nm厚的高温N极化非掺杂AIN层、400nm厚的低温非掺杂AIN缓冲层、10nm厚的减小表面粗糙度的高温AIN 缓冲层、100nm厚的组分梯度分布的AlGaN沟道层（从AIN开始，截止于Al0.8Ga0.2N）、 30nm厚的n++ Al0.8Ga0.2N帽层，其中n型层的掺杂浓度为3×1018cm-3，n型层的电子密度估计为6×1017cm-3。在该材料结构上制备的源-漏间距为12μm的FET的最大漏极电流密度为62.8mA/mm，开关电流比为1.1×104，在栅极电压为-20V下的三端关态击穿电压为116V。增加30nm厚的Al2O3栅极绝缘层后，该器件的最大漏极电流密度增加到126mA/mm。超宽禁带材料，如AIN和相关的富铝AlGaN沟道可以进--步改进器件的性能，特别是在高电压和高温度工作方面。此外，采用AIN背势垒可同时增加晶体管沟道中的电子约束并增强散热。已经证明，对于极高温度电子学，与传统宽禁带材料相比，富Al晶体管的性能已经显示出优势。2020年，I. Abid等人报道的AIN/AlGaN/AIN双异质结构可显著提高器件的击穿电压。在c面蓝宝石衬底上溅射生长厚度为200nm的AIN薄膜，而后在1700℃下退火3h。采用MOCVD技术生长的多层外延层包括：170nm厚的AIN缓冲层、200nm厚的Al0.5Ga0.5N沟道层、30nm厚的AIN势垒层、20nm厚的SiN介质层，所有的层都是非掺杂。具有小于2μm间隔的缓冲层的击穿电压约为1100V，并具有低泄漏电流，相对应的击穿场强约为6MV/cm。在该异质结构上制备了栅长为1.5μm，栅-漏间距为5μm的HEMT器件，其2DEG密度为1.9×1013cm-2，电子迁移率为145cm2·V-1·s-1，最大漏极电流密度大于90mA/mm，关态泄漏电流密度约为20nA/mm，比导通电阻为5.5mΩ·cm2，器件的击穿电压为4.5kV，相应的关态泄漏电流密度小于0.1μA/mm。为了满足高压功率开关的应用要求，最近研究了具有超宽禁带AlGaN沟道的MOS-HFET。AIN的带隙几乎是GaN的两倍，在AlGaN中击穿的临界场强可以设计为介于GaN的3.3MV/cm到AIN的12MV/cm之间。同年，C. S. Lee等人报道了具有对称-梯度宽禁带沟道的Al0.75Ga0.25N/ AlxGa1-xN/Al0.75Ga0.25N/AlN/SiC MOS-HFET。采用低压MOCVD技术在SiC衬底上生长的多层外延结构包括：200nm厚的非掺杂AIN缓冲层、20nm厚的Al0.75Ga0.25N势垒层、150nm厚的n型AlxGa1-xN沟道层（Si的掺杂浓度约为3×1018cm-3，x的线性变化为0.75→0.25→0.75）、20nm厚的Al0.75Ga0.25N势垒层。引入沟道掺杂可进一步提高电导率和电流密度，AI2O3作为栅极的介质层。栅长为2μm的V形沟道MOS-HFET的最大漏源电流密度为299.3mA/mm（漏源电压VDS为20V），开关电流比为1.4×107，最大跨导为16.7mS/mm，两端关态栅漏击穿电压为-379V。2021年，C. S. Lee等人研究了增强模式Al0.65Ga0.35N/Al0.3Ga0.7N/AlN/SiC MOS-HFET的特性。采用低压MOCVD技术在SiC衬底上生长的多层外延层包括：本征200 nm厚的AIN缓冲层、本征200nm厚的Al0.3Ga0.7N沟道层和本征20nm厚的Al0.65Ga0.35N势垒层。采用氟离子注人实现了E模工作。栅-漏间距分别为6um和14um器件的漏源最大电流密度分别为206.3mA/mm和163.5mA/mm（VDS=20V），最大非本征跨导分别为32.9mS/mm和22.0mS/mm，开关电流比分别为3.7×109和1.8×109，两端关态栅漏击穿电压分别为-370V和-475V。高Al组分AlGaN HEMT是报道较多的超宽禁带器件之一，但大多数是在异质衬底上外延生长，具有很大的位错密度（>109cm-2），将会影响材料质量并减小临界场强（Ec）。例如，蓝宝石上AIN金属半导体场效应晶体管（MESFET）和AIN/Al0.5Ga0.5N HEMT的缓冲台面的极限击穿场强分别为3.1MV/cm和6MV/cm。2021年，D. Khachariya等人报道了采用物理气相传输（PVT）制备的AIN衬底上Al0.85Ga0.15N/Al0.6Ga0.4N HEMT，其台面击穿场强大于9MV/cm。采用MOCVD技术在2英寸直径（0001）面单晶PVT AIN衬底上（位错密度小于104·cm-2）生长的多层外延层包括：500nm厚的非掺杂AIN缓冲层、150nm厚的非掺杂Al0.6Ga0.4N沟道层、150nm厚的n型Al0.6Ga0.4N沟道层、20nm厚的Al0.85Ga0.15N势垒层。在非掺杂的缓冲层和沟道层上制备了具有不同间距的台面结构，当间距为1.3μm时，其击穿电压为1500V，对应的击穿场强为9MV/cm。在多层异质结构上制备的栅长为1.8μm，源-漏间距为5μm的HEMT器件，其2DEG密度为1.87×1013cm-2，电子迁移率为140cm2·V-1·s-1，最大漏极电流密度为10mA/mm，器件的开关电流比为1010。
引入基于AIN缓冲层的HEMT平台，该平台采用夹在二元AIN缓冲层和势垒层之间的应变GaN量子阱。GaN/AIN的大能带偏移和高极化电场可提供最大的2DEG约束，允许大范围的垂直和横向扩展。具有大禁带宽度和高热导率的AIN在氮化物半导体家族中提供了一个高电阻率和热管理相匹配的组合。采用AIN缓冲层可产生一个压应变的赝配GaN沟道，并将晶格匹配到AIN势垒层，形成一个具有最大带隙的无应变的AIN势垒，该异质结构的特点是可用于高工作电压。AIN/GaN/AIN量子阱HEMT主要适用于射频领域，近几年的主要技术进步有：沟道的2DEG密度为2.9×1013cm-2，电子迁移率为630cm2·V-1·s-1，击穿电压高达78V，饱和漏极电流密度约为2.3A/mm，导通电阻为1.3Ω·mm，fT和fmax分别为161GHz和70GHz AIN/GaN/AIN量子阱HEMT；采用AIN/GaN超晶格沟道的常关金属氧化物半导体HEMT（MOS-HEMT）关态漏极击穿电压达到2000V，最大漏极电流密度为768mA/mm；AIN/GaN/AIN HEMT的最大漏极电流密度为3A/mm，在10GHz下输出功率密度为3W/mm；3nm厚的薄势垒的HEMT在30GHz下的峰值功率附加效率（PAE）为29%，输出功率密度为2.5W/mm。
2019年，A. Hickman等人报道了具有高击穿电压的射频AlN/GaN/AIN量子阱HEMT，采用MBE技术在半绝缘6H-SiC衬底上外延生长的异质结构包括：350nm厚的AIN缓冲层、30nm厚的GaN沟道层、4nm厚的AIN势垒层、2.nm厚的GaN钝化层，沟道的2DEG密度为2.9×1013cm-2电子迁移率为630cm2·V-1·s-1栅-漏间距为390nm，器件的击穿电压高达78V。此外，栅长为50nm，源-漏间距为600nm.器件的饱和漏极电流密度约为2.3A/mm，导通电阻为1.3Ω·mm，峰值跨导为0.6 S/mm，fT和fmax分别为161GHz和70GHz。栅长为80nm，栅-漏间距为460μm，器件的约翰逊品质因数（JFOM）值为2.2THz·V。通过降低在势垒层中的机械应变可以显著提高器件可靠性，无应变的AIN势垒层有望提高III-N基HEMT的可靠性，一个弛豫的AIN缓冲层对于形成无应变的AIN势垒是必要的。同年，S.Patwal等人报道了在采用等离子辅助MBE（PA-MBE）生长的SiC上AlN/GaN/AIN量子阱双异质结HEMT（DH-HEMT）中的AIN缓冲层的应力优化，是通过采用PA MBE改变其III/V比来进行优化。弛豫的AIN缓冲层可以促进应变的GaN沟道和无应变的AIN势垒层的生长，以改善器件的输运特性和可靠性。采用两步生长方法获得弛豫率为64%和具有平滑的表面形态的（均方根粗糙度为0.5nm）的AIN缓冲层。该器件具有优化的AIN缓冲层结构，其平均载流子密度为2.2×1013cm-2，载流子迁移率为534cm2·V-1·s-1。
具有AlN/GaN超晶格沟道的新颖的HEMT结构，由于减少了沟道中的合金无序散射，同时保持类似AlGaN沟道的良好的关断电压的能力和热稳定性，该沟道结构与超宽禁带AlGaN沟道相比可以使电子迁移率显著提高。2019年，M.Xiao等人报道了采用AIN/GaN超晶格沟道的新型2000V常关MOS-HEMT。采用低压MOCVD技术在SiC衬底上生长的多层外延结构包括：1.7μm厚的复合缓冲层、2 nm厚的AIN隔离层、12nm厚的Al0.37Ga0.63N势垒层、1nm厚的GaN帽层。其中，1.7μm的复合缓冲层由4部分组成，包括130nm厚的AIN/GaN超晶格（30循环）道层、70nm厚的Al0.12Ga0.88N层、500nm厚的组分梯度AlGaN层和1μm厚的GaN/AIN缓冲层，沟道薄层电子密度为6.1×1012cm-2，电子迁移率高达1179 cm2·V-1·s-1。T形栅长为1μm，栅-漏间距为20μm器件的关态漏极击穿电压超过2000V，最大漏极电流密度为768mA/mm，峰值跨导为78mS/mm，开关电流比为3.8×109，阈值电压为1.0V，比导通电阻为7.7mΩ·cm2，器件的热稳定性可达225℃并具有良好的动态导通电阻。为了改善Si衬底上AlGaN沟道HEMT的电子迁移率，对AlGaN沟道结构进行了进一步设计和优化。2021年，S.Liu等人报道了Si衬底上的AlN/GaN超晶格沟道HEMT。采用MOCVD技术在Si衬底上外延的多层结构包括：缓冲层、1μm厚的C掺杂Al0.1Ga0.9N层、120nm厚的AIN/GaN超晶格沟道层（1/5nm，20个周期）、25nm厚的Al0.4Ga0.6N势垒层、2nm厚的GaN帽层。该器件的关态击穿电压为670V（栅-漏间距为8μm），最大输出电流密度为196mA/mm，沟道电子的总迁移率为507cm2·V-1·s-1开关电流比超过107。当器件的栅-漏间距为22μm时，可获得衬底浮置下的高击穿电压（1700V）。
最近，与AlN/GaN/AIN HEMT击穿电压相关的击穿场强达到2MV/cm，JFOM值达到2THz·V。然而，由于采用矩形栅的几何形状和相应的高栅极电阻，先前报道的该类HEMT器件均未涉及射频输出功率参数。2021年，A. Hickman.等人报道了工作在10GHz下，具有大于3A/mm漏极电流密度和3W/mm的射频输出功率密度的AlN/GaN/AIN HEMT。采用MBE技术在高阻6H-SiC衬底上外延的多层结构包括：500nm厚的AlN缓冲层、200nm厚的GaN沟道层、5nm厚的AlN势垒层、2nm厚的GaN钝化层，沟道中2DEG密度为3×1013cm-2，电子迁移率为723 cm2·V-1·s-1。T形栅长为50nm、源-漏间距为0.6μm器件的漏极电流密度为3.6A/mm，峰值跨导为0.6S/mm；栅长为50nm、源-漏间距为1μm器件的fT和fmax分别为123GHz和233GHz；栅长为50nm、源-漏间距为2μm和栅-漏间距为1.5μm的器件，10GHz下的峰值PAE为22.7%，增益为8.7dB，输出功率密度为3W/mm。在功率优化后，峰值功率密度可达3.3W/mm，其PAE为14.7%，增益为3.2dB。同年，该研究小组A. Hickman等人报道了AIN/GaN/AlN HEMT在30GHz下的大信号响应。其量子阱异质结的结构与上述10GHz器件基本相同，仅AlN势垒层的厚度减少了1nm。T形栅长为60nm，源-漏间距为0.6μm器件的漏极电流密度为3.2A/mm，峰值跨导为0.72S/mm，导通电阻为0.8Ω·mm，fT和fmax分别为140GHz和239GHz。大信号的负载牵引测量结果表明，该器件在30GHz下的峰值PAE为29%，输出功率密度为2.5W/mm，增益为7dB。
高性能的宽带隙p沟道器件可以与成熟的宽带隙n沟道器件单片集成，广泛用于扩展电力/射频电子中可用的设计拓扑。GaN/AlN结构可实现最大的全二值极化不连续，导致最大的空穴密度和最小的薄层电阻。近几年超宽带隙p沟道器件的新进展有：GaN/AlN肖特基栅p沟道HFET的导通电流密度为100mA/mm； GaN/AlN p沟道HFET的导通电流密度大于420mA/mm，fT和fmax均约为20GHz。
2019年，S．J．Bader等人报道了具有InGaN接触和导通电流密度为100mA/ mm的GaN/AlN肖特基栅p沟道HFET。采用等离子辅助MOCVD技术在2英寸蓝宝石上c面AlN上生长的多层外延结构包括：500nm厚的AlN缓冲层、15nm厚的非掺杂GaN沟道层、15nm厚的重掺Mg的InGaN接触帽层（Mg的掺杂浓度为5×1019cm-3）。栅长为0.6μm，源-漏间距为3.5μm器件的导通电流密度为-100 mA/mm，峰值跨导为19mS/mm，由于肖特基栅的泄漏电流，器件的开关电流比仅为10；栅长为0.8μm，源-漏间距为4.0μm器件的开关电流比为102。2020年，K. Nomoto等人报道了导通电流密度大于420mA/mm、fT和fmax均约为20GHz的GaN/AlN p沟道HFET。该研究在p沟道氮化物晶体管方面突破了GHz的频率壁垒。通过实现独特的GaN/AlN异质结构的单沟道高密度极化诱导的二维空穴气（2DHG），同类器件中最好的接触电阻和按比例缩小的T形栅极设计等三项关键技术突破，获得了高性能的器件。采用MBE技术在蓝宝石上Al极化的AlN上生长的多层外延结构包括：约500nm厚的AlN缓冲层、约15nm厚的非掺杂GaN沟道层、约15nm厚的重掺Mg的InGaN接触帽层（Mg的掺杂浓度为5×1019cm-3）。室温下沟道中极化诱导的2DHG密度约为5×1013~6×1013cm-2，空穴迁移率为10~20 cm2·V-1·s-1。T形栅的栅极长度为120nm，源-漏间距为680nm的器件，其最大漏极电流密度为428mA/mm，峰值跨导为66mS/mm，由于肖特基栅对泄漏电流的限制，器件的开关电流比为102，器件的fT和fmax分别为19.7GHz和23.3GHz。
由于β-Ga2O3和AlN之间的晶格失配很低，在β-Ga2O3上可外延生长AlN。由AlN/β-Ga2O3异质结构形成的2DEG能够形成超宽禁带半导体异质结HEMT。近两年已提出器件结构的设计和模拟分析结果，主要技术进步有：凹槽栅AlN/Ga2O3 HEMT的导通电流密度为948mA/mm；T形栅AlN/β-Ga2O3 HEMT的最大漏极电流密度为1.32A/mm，关态击穿电压为403V，fT和fmax分别为48GHz和142GHz；SiC衬底上的AlN/β-Ga2O3 HEMT导通电流密度为0.6A/mm，击穿电压为509V，fT和fmax分别为27.1GHz和72.3GHz。
2021年，T. Shivam等人报道了高性能的凹槽栅AlN/Ga2O3 HEMT。器件的模拟结果表明，由于β-Ga2O3带隙较大，器件将具有更大的击穿电压。由AlN层中的极化感生场形成的2DEG处于β-Ga2O3层的顶部，产生2DEG不需要对该结构中任何一层进行掺杂。栅长为0.5μm，源-漏间距为1.2μm器件的导通电流密度为948mA/mm，阈值电压为1.6V，最大fT为11GHz。同年，R．Singh等人报道了用于射频和大功率纳米电子学的T形栅AlN/β-Ga2O3 HEMT。采用二维模拟方法，对该器件的直流和射频性能进行了分析。T形栅的顶部长度为180nm，根部长度为120nm，器件栅的长度和势垒层厚度之比约为5。沟道中2DEG密度
为2.3×1013cm-2。器件在耗尽模式工作时，最大漏极电流密度为1.32A/mm，峰值跨导为0.32S/mm。源-漏极间距离为1.9μm的器件，其比导通阻为0.136mΩ·cm2， 关态击穿电压为403V。此外，估算器件的fT和fmax分别为48GHz和142GHz。2022年，S. Baskaran等人报道了可用于低损耗便携式电源转换器及射频的基于SiC衬底的超宽禁带AlN/β-Ga2O3 HEMT。所设计的器件外延多层结构包括：在10μm厚的4H-SiC衬底上外延了1μm厚的β-Ga2O3缓冲层、10nm厚的AlN势垒层、100nm厚的SiN钝化层。HEMT栅长为0.8μm，栅极的场板长度为0.5μm，栅-漏距离为1μm和源-漏间距为2.6μm。模拟结果表明，该器件的导通电流密度为0.6 A/mm，跨导为288mS/mm，击穿电压为509V，导通电阻为1.13Ω·mm，fT和fmax分别为27.1GHz和72.3GHz。此外，该器件具有非常低的开关延迟（3.5ps）和开关损耗（1.9×10-16J）。
3. AIN增强GaN HEMT
在发展超宽禁带半导体AlN HEMT的同时，具有超宽禁带特点的AlN对宽禁带GaN二极管和GaN HEMT的性能增强也起到重要作用。除了在传统的GaN HEMT外延多层结构中，AlN薄层作为异质外延初始的成核层和势垒与沟道之间的隔离层以外，为了进一步提高GaN HEMT的工作频率、击穿电压、线性和可靠性等性能，并实现新一代射频GaN HEMT的发展，超宽禁带的AlN作为各类GaN HEMT的AlN单晶衬底、超薄AlN势垒层、高质量和超晶格AlN缓冲层及AlN钝化层等均发挥了重要作用。
近两年，在AlN增强GaN二极管方面的主要技术进步有：将GaN/AlN谐振隧穿二极管（RTD）的有源区面积增至72μm2，峰值电流在9.4V下可达320mA；采用AlN隧穿势垒层和多鳍结构改进GaN-on-GaN SBD，其反向击穿电压达到1.84kV，正向比导通电阻为1.98mΩ·cm2；太赫兹应用的凹槽式肖特基势垒AlN/GaN二极管的设计方法。
最近，由于GaN基RTD中可重复的室温负微分电阻（RT-NDR）和高峰值电流密度，人们对RTD重新产生了兴趣。由于在III-N异质界面处发现了大量的自发和压电电荷，GaN基RTD即使在0V偏置下也具有不寻常的能带图。在GaN模板的蓝宝石衬底上的GaN RTD中，仅限于对有源区面积非常小（小于10μm2）的器件观测RT-NDR。2019年，T.A.Growden等人[24]报道了大电流、大面积GaN/AlNRTD的脉冲特性。在GaN/AlN RTD的异质界面处具有大量的自发和极化电荷。在蓝宝石上GaN和自支撑GaN两种衬底上分别研发了两个面积达72μm2的AlN/GaN RTD，脉冲电流-电压测量结果表明，在脉冲宽度为100ns~1000μs，脉冲间隔为1~10ms，对应的占空比为1×10-5~0.5的条件下，两种RTD的峰值电流分别为在9.4V时的320mA和在8V时的120mA。2020年，W.D.Zhang等人通过实验和P-SPICE模型研究了GaN/AlN RTD的开关时间。实验得到RTD的峰值电流开关时间最短约为55ps，结果表明，器件具有相对较低的峰谷电流比（约为1.5），以及相对较高的比接触电阻（≥1×10-6Ω·cm2），而相对较大的比电容限制了其开关时间。新型三维SBD设计需要克服低击穿电压时开启电压偏低的难题。而肖特基金属和GaN之间的梯度AlGaN隧穿层会产生异质结构的高密度的自由电子。采用原子层沉积（ALD）生长的AlN可生长在GaN三维结构上并具有良好的台阶式覆盖，而且作为刻蚀表面的钝化层还能保持其低陷阱态密度。2020年，S.W.H.Chen等人利用ALD-AlN隧穿势垒层和多鳍结构改进了GaN-on-GaN SBD。该器件的反向击穿电压为1.84kV，具有低的正向比导通电阻为1.98mΩ·cm2。将GaN外延层刻蚀为优化后的斜角多鳍结构，该鳍结构通过均匀电场分布的方法提高击穿电压。随后，该GaN鳍结构被ALD技术生长的AlN薄膜所覆盖。AlN被用作隧穿势垒层，不仅可钝化GaN表面还降低了导通电压，覆盖了AlN的SBD具有0.18V的导通电压。此外，该AlN覆盖层还可提高器件的可靠性。基于GaN异质结构的SBD可用于亚太赫兹探测，之前的报道仅局限于探索GaN基SBD适于太赫兹或亚太赫兹应用的可行性，对于优化这些器件的设计方法却鲜有报道。为此，2021年，A. Soni等人报道了太赫兹应用的凹槽式肖特基势垒AlN/GaN二极管的设计。提出了一种太赫兹应用的多指横向AlN/GaN SBD全面的TCAD设计方法。该器件采用的多层外延材料结构包括：衬底、缓冲层、20nm厚的GaN沟道层、3.5nm厚的AlN势垒层、2.5nm厚的GaN帽层。提出的建模方法包含了三维寄生参数对多指SBD性能的影响。研究了横向尺寸缩放对器件性能的影响，包括物理宽度和指数。结果表明，最小化的结长可提高器件的截止频率，但截止频率作为器件宽度的函数会随器件宽度的增加而快速下降。另一方面，短结会提高串联电阻而导致更低的阳极电流。为了更好地权衡各因素，提出了归一化截止频率和阳极电流的乘积指标。根据应用情况，通过分析优值可以选择具有高电流和所需的截止频率的器件。随着器件电极指数的增加，扩大了实现太赫兹工作频率的设计空间。短沟道器件的性能主要受器件宽度和电极指数的影响。由于不均匀缩放的寄生电容和电阻，必须找到最佳的沟道长度以获得最高的截止频率。对于短沟道长度、小的器件宽度和长结，接触电阻是必要的设计参数。接触电阻的影响随指数数量的增加而增加，在不同的设计场合中研究所有寄生电阻的贡献，以选择关键的性能优化参数并避免过度设计。对于具有场板终端的SBD，研究了其击穿电压与截止频率之间的权衡设计。
未完待续。。。。。。