行业 | 富士通实现X-band AlN基GaN HEMT器件创纪录功率密度24.4 W/mm

译自原文
24.4 W/mm X-Band GaN HEMTs on AlN Substrates With the LPCVD-Grown High-Breakdown-Field SiN_x Layer

原文作者
JUNJI KOTANI , JUNYA YAITA, KENJI HOMMA, SHIROU OZAKI, ATSUSHI YAMADA, MASARU SATO, TOSHIHIRO OHKI, AND NORIKAZU NAKAMUR, Devices & Materials Research Center, Fujitsu Ltd.,.

原文链接
https://doi.org/10.1063/5.0174524

项目资助方
日本国防安全科技创新计划（Innovative Science and Technology Initiative for Security）和日本防卫省采办技术后勤局（ATLA）

摘要
本文报道了一种基于AlN单晶衬底的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT），其在X-band实现了创纪录的高输出功率密度24.4 W/mm。通过使用高密度二维电子气沟道和再生欧姆接触，实现了1.4 A/mm的高漏极电流工作。此外，通过低压/高温化学气相沉积生长的高密度、高击穿SiN_x层实现了110 V的高压运行。三级AlGaN缓冲层提高了二维电子气的电子迁移率，使我们能够生长出低碳浓度的氮化镓沟道。同时，通过采用再生的n-GaN接触层来最小化源极/漏极接触电阻，实现了1470 mA/mm的高漏极电流和258 V的高击穿电压。该研究结果表明，基于AlN单晶衬底的GaN HEMT器件在下一代高功率射频器件领域拥有巨大潜力。

引言

氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMT）因其宽带隙和大击穿场强而成为高功率/高频器件极具前景的解决方案。通过使用铝镓氮化物（AlGaN）沟道的HEMTs可使击穿电压进一步改善。然而，由于合金散射，使用AlGaN沟道会导致严重的电子迁移率下降。因此，由于器件性能的改进受限于击穿电压，从而无法实现高功率的射频器件。近年来，AlN/GaN/AlN结构的研究备受关注。虽然大的信号放大已有报道，但输出功率密度限制在3W/mm。通过对生长在AlN单晶衬底基HEMT器件结构GaN沟道中的电子迁移率进行详细研究，发现通过控制AlGaN缓冲层中的极化电荷来降低GaN沟道中的内部电场可以有效地提高电子迁移率。利用极化电荷控制的AlGaN缓冲结构，我们成功地在AlN单晶衬底上实现了X-band功率密度>15 W/mm的高功率HEMT器件。然而，器件结构是采用典型的AlGaN/GaN HEMT技术实现，因此我们认为其仍有巨大提升空间。

在这项研究中，我们采用低压/高温化学气相沉积（LP/HT-CVD）的SiN_x钝化层、极化电荷控制的AlGaN缓冲结构和n-GaN再生欧姆接触来提高AlN单晶衬底上AlGaN/GaN HEMT器件的最大漏极电流和击穿电压。最后，我们在AlN单晶衬底上使用AlGaN/GaN HEMT器件结构，在X-band实现了创纪录的24.4 W/mm输出功率密度。

实验

图1显示了在自支撑2英寸AlN单晶衬底上制备的AlGaN/GaN HEMT器件。采用金属-有机气相外延（MOVPE）法制备了AlGaN/GaN HEMT器件结构。为了提高电子在AlN单晶衬底上的迁移率，我们采用了三级AlGaN缓冲层：在文献所采用的缓冲结构基础上，再增加Al_0.15Ga_0.85N缓冲层，如图1所示。Al_0.15Ga_0.85N层的插入降低了GaN/Al_0.15Ga_0.85N缓冲层界面处的负极化电荷。这减少了GaN沟道中的内部电场，有助于提高二维电子气（2DEG）的电子迁移率。我们还注意到，三级缓冲结构有效地改善了GaN沟道的表面形貌，并使我们能够生长出碳浓度为1×16 cm⁻³的GaN沟道，其V/III比高达1600。在GaN沟道之后，生长了AlN间隔层、Al_0.31Ga_0.69N势垒层和GaN帽层。本研究使用了两种不同的SiN_x钝化层：原位LP/HT-CVD和非原位等离子体增强CVD (PE-CVD) SiNx。LP/HT-CVD和PE-CVD的SiN_x沉积温度分别为730℃和250℃。两种结构的SiN_x层厚度均为100 nm。对于图1(a)所示的HEMT器件结构，经过LP/HT-CVD生长的SiN_x钝化后，测量到的二维电子气（2DEG）密度和迁移率分别为1.3×10¹³ cm^-2和1700 cm²/Vs。此外，采用n-GaN再生欧姆接触来减小接触电阻的影响。LP/HT-CVD SiN_x的HEMT薄层电阻（R_sh）和接触电阻（R_c）分别为283Ω/sq和0.10Ωmm。通过MOVPE在715°C下进行n-GaN的再生层，采用LP/HT-CVD SiN_x钝化层作为n-GaN再生过程的掩膜层。采用Ni/Au和Ti/Al金属分别作为栅极和欧姆电极，栅极长度为0.25 µm，栅极-漏极长度为3 µm。表1总结了文献中HEMT器件和本研究中HEMT器件参数。

TABLE 1. Comparison of device parameters for the HEMT in [8] and the HEMT in this study.

表1：文献报道中HEMT器件与本研究中HEMT器件参数比较。

FIGURE 1. Schematic of HEMT structures on free-standing AlN substrates (a) in this study and (b) in [8]

图1：AlN单晶衬底上的HEMT器件结构示意图：（a）本研究；（b）文献报道

结果与讨论

为了提高AlN单晶衬底上HEMTs的击穿电压，我们将重点放在栅极场板漏极侧周围的电场聚集上，因为从我们之前的模拟结果来看，严重的电场聚集发生在栅场板边缘。因此，增大SiN_x层的击穿场强是必不可少的。此外，我们比较了LP/HT-CVD和PE-CVD沉积的SiN_x的击穿行为，如图2所示。PE-CVD和LP/HT-CVD SiN_x的击穿场强分别为3.6和6.0 MV/cm。为了研究带有再生长欧姆接触的LP/HT-CVD SiN_x层的击穿行为，在氮气气氛下进行了30分钟715℃的高温退火。如图2所示，我们证实了即使经过高温退火，击穿行为也是热稳定的，这与n-GaN再生工艺相兼容。

FIGURE 2. Breakdown characteristics of the LP/HT-CVD and PE-CVD SiNx layers. Breakdown behavior for LP/HT-CVD SiNx layer underwent high temperature process was also investigated. The measurement was conducted using an MIS structure with a 40-nm-thick SiNx layer.

图2：LP/HT-CVD和PE-CVD SiNx层的击穿特性，并对LP/HT-CVD SiN_x层的高温击穿行为现象进行了研究。测量是在具有40 nm厚SiN_x层的MIS结构进行

此外，我们通过x射线反射率测试研究了SiN_x层的薄膜密度。结果表明，PE-CVD SiN_x的密度从2.5 g/cm³增加到了LP/HTCVD SiN_x的3.0 g/cm³。LP/HT-CVD SiN_x的密度与Si₃N₄相似，为3.17g/cm³。我们认为，高温生长增加了SiN_x薄膜的密度，减少了薄膜中的空隙，增加了击穿场强。事实上，以往文献中已经讨论了增加膜密度和减小泄漏电流的问题，其结果与我们的结果相对吻合。

因此，我们将LP/HT-CVD SiN_x层用于AlN单晶衬底上的HEMT器件，并将击穿电压与先前报道的HEMT器件进行比较。图3显示了三端击穿测量过程的栅极泄漏行为。在100V以下观察到栅极泄漏电流的增加。在一个相对较低的偏置电压区域，简单的电子穿透肖特基栅占主导地位。因此，我们相信，与文献中的HEMT器件相比，带有LP/HT-CVD SiNx层的HEMT器件中2DEG密度的增加是导致栅电极周围电场聚集的原因。使用具有高击穿场强的LP/HT-CVD SiNx时，击穿电压从225提高到258 V，表明栅极电场极板角附近的击穿电压成功提高了。与图2中确认的SiNx击穿场强较大改进相比，可以预期关断态击穿电压有更大的改进。我们相信，与SiNx层的击穿场强的改进相比，HEMT的击穿电压改进较小是由于2DEG密度增加导致的电场聚集增加所致。

FIGURE 3. Three-terminal breakdown behavior obtained for the HEMTs with PE-CVD and LP/HT-CVD SiNx. The measurement for the HEMT with PE-CVD was carried out for the device reported in [8].

图3：PE-CVD和LP/HT-CVD SiN_x HEMT器件的三端击穿行为（采用文献报道的HEMT器件进行了PE-CVD的器件测试）

图4比较了本研究的HEMT器件与文献的HEMT器件I_d-V_gs曲线。漏极电流增加了约33%，这一结果归因于与文献中的HEMT器件相比，薄层电阻和接触电阻都降低了。为了确认薄层电阻和接触电阻降低的影响，我们进行了Silvaco TCAD仿真，仿真得到的I_d-V_gs曲线如图4所示。文献中的HEMT器件采用的实验得到的薄层电阻和接触电阻分别为350 Ω/sq和0.33Ωmm。通过假设R_sh降低为283Ω/sq，仿真得到漏极电流增加25%，通过减小接触电阻，漏极电流进一步增加10%。预期的漏极电流增加与图4所示的I_d-V_gs曲线非常吻合。

FIGURE 4. Id–Vgs curves of the HEMT developed in this study and the HEMT reported in [8]. Simulated Id-Vgs curves assuming the reduced Rsh and Rc are also shown.

图4：本研究和文献报道的HEMT器件的I_d-V_gs曲线，同时显示了假设降低R_sh和R_c的模拟I_d-V_gs

通过进行脉冲I_d-V_ds测试，以评估I_d坍塌行为。图5显示了本研究开发的HEMT器件和文献报道的HEMT器件的脉冲Id-V_ds测试结果。通过增加最大漏极电流，我们证实，与文献中的HEMT器件相比，具有偏置应力的漏极电流也显著增加。在漏极电压为5V时，通过将有偏置应力的Id除以无应力的Id来评估两个器件之间漏极电流的降低。在偏置应力V_gs=−5V和V_ds=0V下，本研究和文献中的HEMT器件分别观察到6%和10%的漏极电流减少。在偏置应力V_gs=−5V和V_ds=30V下，两个器件的漏极电流分别降低了20%和25%。还应注意到，在漏极偏置应力下观察到膝处电压明显增加，这表明在漏极沟道区域的电子陷阱起了作用。这些结果表明，尽管在n-GaN再生过程中SiN_x层经历了严重的热应力，但LP/HT-CVD SiN_x的HEMT器件电流崩塌并未恶化。先前有报道使用PE-CVD和LP-CVD SiN_x对SiN_x/AlGaN界面进行了详细的研究，他们得出结论，通过LPCVD沉积高密度SiN_x膜，获得了坚固的SiN_x/AlGaN界面。因此，我们认为高密度LP/HT-CVD SiNx钝化层的使用对于具有n-GaN再生过程的HEMT器件尤为重要，因为SiN_x层将经历超高温制程。

FIGURE 5. Pulsed I_d–V_ds measurement for the HEMTs (a) developed in this study and (b) reported in [8]. The pulse width was 1 μsec, and the pulse period was 1 msec.

图5：HEMT器件的脉冲I_d-V_ds测试 (a)由本研究开发，(b)由文献报道。脉冲宽度为1µs，脉冲周期为1 ms

图6(a)显示了LP/HT-CVD SiN_x和再生欧姆接触下AlN单晶衬底基HEMT器件在X-band的输出功率特性。负载测量在8 GHz频段进行。该器件的总栅极宽度为1 mm，负载测试下的脉冲宽度和占空比分别为10 μs和1%。在本研究中，HEMT器件的测量f_t和f_max分别为24.1 GHz和52 GHz。偏置电流设置为10 mA/mm，并以最大输出功率（P_out）进行测量，工作电压为110v。峰值PAE效率为46.8%，相应输出功率P_out为43.9 dBm，相当于24.4 W/mm，线性增益为10.5dB。图6(b)显示了不同工作电压下的饱和输出功率密度（P_sat）。我们成功地实现了110V的高压工作，由于LP/HT-CVD SiN_x和n-GaN再生欧姆接触的击穿场增加，这远超过已有文献报道的AlN单晶衬底上的HEMT器件。P_sat随V_ds的增加而线性提高，在X-band成功达到24.4 W/mm。

FIGURE 6. (a) RF power characteristics of the AlGaN/GaN HEMT on AlN substrates and (b) saturated output power density depending on the drain voltage. The measurement was carried out at 8 GHz.

图6：(a) AlN单晶衬底基AlGaN/GaN HEMT器件的射频功率特性和 (b)随漏极电压变化的饱和输出功率密度。该测量在8GHz频段进行。

图7列出了已有文献报道的X-band GaN HEMT器件在不同工作电压下的射频输出功率。值得注意的是，AlN单晶衬底基GaN HEMT器件中，输出功率密度最高为本研究24.4 W/mm，而在无数SiC单晶衬底基GaN HEMT器件文献报道中，很少有超过20 W/mm的。这一结果证实AlN单晶衬底基GaN HEMT器件的巨大潜力。

FIGURE 7. Benchmark of the RF output power density versus operation voltages of GaN HEMTs in X-band.

图7：已有文献报道的不同电压X-band GaN HEMT器件射频输出功率密度

图8显示了不同栅极长度下的GaN HEMT器件最高水平的JFOM优值（J-FoM=f_t×击穿电压）。对于本研究开发的HEMT器件，从24.1 GHz的测量f_t和258 V的击穿电压计算出J-FoM优值为6.22 THz V。如图8所示，所获得的J-FoM优值与之前报道的最高性能GaN HEMT器件相当，并且高于GaN单晶衬底上的GaN HEMT器件。此外，我们认为通过优化Al组分和AlGaN势垒层的厚度，J-FoM优值还有巨大提升空间，从而我们预期可以提高高频性能。我们认为获得的高J-FoM优值也体现了AlN单晶衬底基GaN HEMT器件的巨大潜力。

FIGURE 8. FIGURE 8. Benchmark of ft x breakdown voltages versus gate length of GaN HEMTs.

图8：不同栅极长度的GaN HEMT器件的f_t×击穿电压值

结论

我们利用高密度二维电子气沟道、再生欧姆触点和高击穿场的LP/HT-CVD SiN_x钝化层，在AlN单晶衬底上成功地实现了高功率射频X-band AlGaN/GaN HEMT器件。结果表明，LP/HT-CVD SiN_x的击穿场高达6.0 MV/cm，远高于PE-CVD SiN_x的3.6 MV/cm，从而提高了HEMT器件的击穿电压。采用了三级极化控制缓冲层结构和n-GaN再生欧姆接触，使最大漏极电流增加了约40%。大信号射频测试显示，在110v高压下输出功率密度为24.4 W/mm。