译自原文
Next generation electronics on the ultrawide-bandgap aluminum nitride platform
原文作者
Austin Lee Hickman, Reet Chaudhuri, Samuel James Bader, Kazuki Nomoto, Lei Li, James C M Hwang, Huili Grace Xing, Debdeep Jena
原文链接
https://doi.org/10.1088/1361-6641/abe5fd
项目支持方
Semiconductor Research Corporation（SRC，美国半导体研究联盟），Joint University Microelectronics Program（JUMP，联合大学微电子计划），Intel Corporation（英特尔），AFOSR（美国空军科学研究办公室），NSF DMR（美国国家科学基金会材料研究部） 等
摘要
氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）在国防（雷达、SATCOM）和商业（5G 等）领域正处于快速发展阶段。而在这一发展阶段，标准的氮化镓异质结构仍未达到最佳性能。因此，我们建议转向氮化铝（AlN）平台。氮化铝可实现更优的异质结构设计，从而提高III族氮化物放大器的输出功率和热管理。除了改良现有放大器技术，氮化铝还可实现此前氮化镓电子器件无法达到的集成度。最先进的大电流p沟道场效应晶体管、成熟的滤波器技术和先进的波导等均可通过 AlN 实现与AlN/GaN/AlN HEMT单片集成。正是基于全新的AlN平台技术，氮化物电子器件才能最大限度地发挥其在毫米波通信和大功率应用中的高频、高功率潜能。
关键词
氮化铝（AlN），氮化镓（GaN），毫米波，氮化物CMOS，, GaN HEMT
引言
随着连接世界的无线通信网络频率越来越高，对射频（RF）晶体管技术的性能要求也不断提高。在需要更高功率、频率和效率的同时，还必须满足低成本和小尺寸的要求。毫米波（mm-wave）频率范围也许最能体现这种效益竞争的压力。毫米波频谱在商业和军事应用领域正处于快速增长和扩张的阶段。这是因为毫米波具有高方向性和短波长的特点，与低频无线电波相比，它的数据传输更快（>1 Gbit s-1），成像分辨率更高。
许多材料都在争夺这一新兴频率范围的市场份额。硅凭借其成熟性和成本效益规模，在 sub-6 GHz的频率范围内，利用硅侧向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）技术可产生高达1W的输出功率，但在更高的频率范围内却举步维艰。砷化镓高电子迁移率晶体管（GaAs HEMT）、硅锗异质结双极晶体管（SiGe HBT）和磷化铟HBT已在毫米波频率范围内成功运行，尽管功率水平仍相对较低。为了同时实现高功率和毫米波操作，重点已转向氮化镓（GaN）HEMT。各材料的特性如表1所示。氮化镓同时具备高饱和速度和宽带隙的优势，因此具有高功率、高频率的性能，并使其成为未来毫米波电子器件的主要材料。
表1：大功率射频晶体管相关材料的物理特性
在过去的二十年中，GaN HEMT在整个GHz频率范围内均表现出高功率密度性能。有关 GaN HEMT性能的最初报道主要集中在传统的金属极AlGaN/GaN异质结构上，重点是电场整形金属板，这使得GaN的击穿性能进一步超越了所有其他材料。在4GHz和8GHz时，功率密度分别达到40Wmm-1 和30Wmm-1。AlGaN/GaN HEMT在40GHz（更高频率）时的功率密度也达到了10.5Wmm-1。为了实现更高频率并考虑短沟道效应（SCE），还引入了其他异质结构，如InAlN-势垒和InAlGaN-势垒GaN HEMT，它们在94GHz和96GHz时的功率分别超过1W mm-1和3Wmm-1。目前最先进的性能是使用N极GaN HEMT实现的。通过加入厚氮化镓盖层，N极HEMT显著降低了器件色散，在高达94GHz时输出功率保持在8Wmm-1以上。
正如半导体技术的发展历程，氮化镓放大器的实验室成果首先在国防工业中得到了重大应用。2018年，诺斯鲁普-格鲁曼公司（Northrup Grumman）向美国海军陆战队提供了首个基于氮化镓的地/空雷达系统。洛克希德-马丁公司（Lockheed Martin）启用了“太空栅栏”（Space Fence），这是一个利用氮化镓放大器追踪地球轨道上物体的雷达网络，今年早些时候，美国太空部队宣布该系统投入使用。氮化镓也正在商用领域崭露头角，首先是在4G-LTE基站中，预计在5G及以后会有更广泛的应用。
随着氮化镓在国防和商业领域的迅速发展，我们有必要对当前射频氮化镓异质结构的长期潜力进行评估，以实现尽可能高的性能。传统氮化镓放大器的许多局限性在于异质结构的基础层——缓冲器。缓冲材料的特性虽然不直接参与器件传输，但对器件特性和整体性能有着深远的影响。在传统的氮化镓/氮化镓异质结构中，沟道是氮化镓缓冲器的延伸，因此缺乏将二维电子元件限制在垂直方向的背势垒。其结果是沟道区域向缓冲器扩展，最终导致输出电导显著增加，限制了毫米波器件的增益和效率。此外，氮化镓缓冲器普遍存在缓冲器漏电流问题。为了消除这种影响，我们引入了氮化镓背势垒，但代价是在热流路径中引入了更高的热阻合金层。散热仍然是氮化镓技术的一个重大限制，而增加合金背势垒则进一步限制了散热。
正是在商业开发蓬勃发展和氮化镓放大器异质结构尚未优化的情况下，我们为氮化镓放大器的未来提出了一个新平台：氮化铝（AlN）。以缓冲层的形式加入氮化铝将在三个关键方面实现下一代性能。（1）加强热管理；（2）提供最大化的背势垒，大幅降低SCE和缓冲器泄漏。（3） 使氮化物电子器件的集成度达到前所未有的水平。
氮化铝平台的主要集成要素是增加了氮化镓/氮化铝p沟道场效应晶体管，首次在宽禁带半导体中实现了真正的、类似于氮化物CMOS的大电流射频互补电路。氮化铝/氮化镓/氮化铝异质结构可产生高密度、二维电子和空穴气体。
除了能在同一平台上实现氮化物CMOS和射频放大器外，AlN还可以完全集成无源元件。在射频端模块中广泛采用的AlN体声波（BAW）滤波器可通过AlN缓冲层无缝集成。除了信号隔离（BAW滤波器）、计算（CMOS）和放大（AlN/GaN/AlN HEMT）之外，AlN平台还可以集成最先进的SiC基板集成波导（SIW）用于射频信号引导。完整的AlN平台（如图1）具有卓越的AlN HEMT性能潜力和前所未有的集成能力，将支持GaN放大器成为未来毫米波放大的前沿技术，并使氮化物电子器件或其他半导体平台此前无法实现的应用成为可能。
图1：氮化铝平台截面图。加入氮化铝缓冲层将改进现有的n型氮化镓放大器，并允许在同一异质结构中加入大电流p型晶体管。此外，氮化铝还能集成BAW滤波器和SIW，提供完全集成的单片射频信号处理解决方案。pFET输出特性来自Nomoto等人的研究。
氮化铝的热性能优势
GaN HEMT的高频性能直接源于带隙和电子传输等基本材料特性。宽带隙可实现更高的击穿电压，高电子迁移率和载流子饱和速度则可实现更高的固有工作频率。这些特性为材料平台所能支持的输出功率设定了内在限制。然而，当将实验测量的输出功率密度与GaN射频HEMT 的材料固有输出功率极限进行比较时，会发现两者之间存在很大差异，尤其是在较低的截止频率 (fT)时。考虑到放大器工作时的发热和散热效应，可以解释这种差异。简单来说，功率放大器（PA）将低功率输入交流信号转换为放大后的高功率交流输出信号，其差值来自应用的直流偏置功率。在实际设备中，只有一部分直流电用于放大输出（取决于放大器的效率），其余的功率以热量的形式传递到周围环境和半导体材料本身。这导致晶体管沟道漏极一侧的温度高度局部上升，从而使电子特性（如迁移率、饱和速度）恶化，限制了晶体管的最大输出功率。发热还会导致器件半导体层产生热应力梯度，从而降低晶体管的可靠性和使用寿命。
因此，对于任何高功率射频器件来说，有效地将热量从有源区沟道中传导出去以提高性能是非常重要的。在射频 HEMT 中，栅极的漏极侧是电场的峰值，也是热源。如图2（b）所示，在顶部没有导热层的情况下，热量主要通过缓冲层传导到衬底和底部的散热器。因此，沟道和散热器之间的热阻在决定沟道温度和器件性能方面起着至关重要的作用。这种设置中的热阻有两种形式：（1）缓冲层和衬底材料的热导率（反比）；（2）两种材料之间的热边界电阻。这两种电阻都是通过声子进行热传输的基本物理学原理的体现，因此，如果我们考虑理想晶体材料，它们是半导体材料的固有特性。因此，我们可以将氮化铝平台（衬底上的氮化铝缓冲层）与传统的氮化镓平台（基底上的氮化镓缓冲层）进行比较，从而突出氮化铝在热导性方面的优势。
图2（a）比较了III族氮化物器件中常见材料的实验测量热导率值。硅（111）和碳化硅（SiC） 是这类器件常用的衬底材料。碳化硅的热导率高达420Wm.K-1，是目前最先进的射频氮化镓 HEMT，是实现有效热管理的首选衬底。单晶金刚石和立方氮化硼（c-BN）具有最高的热导率，人们正努力将它们作为导热散热层集成到射频HEMT中。在III族氮化物中，AlN 的热导率高达 340WmK-1，而单晶GaN的热导率仅为230WmK-1。从这些数值可以清楚地看出，AlN缓冲层在有源区热传导方面比GaN缓冲层更具优势。
TBR是界面的固有特性，它是热流的阻力，会导致温度升高。从微观角度看，根据扩散失配模型（DMM），两种理想材料之间完美界面的TBR是由于载热声子从一种材料移动到另一种材料时可散射到的声子密度不同而产生的。AlN和GaN缓冲层与常用的Si(111)和SiC衬底之间的TBR计算结果如图2（c）所示。计算中使用了Debye状态密度近似值。根据该模型的预测，在SiC和Si衬底上，AlN缓冲层的TBR应该比GaN缓冲层低，分别低∼50%和∼33%。这些结构的TBR实验测量值要高出几个数量级，这归因于成核界面附近的非理想晶体结构。在氮化镓的情况下尤其如此，晶体质量较低的氮化铝成核层和/或应力管理层会导致较高的TBR。晶格失配较低的AlN可直接生长在晶体质量更好的碳化硅上，从而降低TBR。最近出现的高质量单晶衬底为在体氮化镓和体氮化铝衬底上分别进行氮化镓和氮化铝的同外延生长提供了可能，在这种情况下，TBR将被完全消除。即使在这种情况下，与氮化镓基底上的氮化镓相比，氮化铝基底上的氮化镓由于具有更高的热导率而具有热性能优势。
图2：（a） III族氮化物电子元件中一些常用材料的热导率。三元和四元合金的热传导率预计低于二元合金。（b）在Debye近似条件下使用密度失配模型（DMM）计算的理论热边界电阻（TBR）。在硅和碳化硅等普通衬底上，AlN的TBR预计低于GaN缓冲区。在单晶氮化镓衬底上完美同质外延生长的氮化镓不会有任何热边界电阻，因为在这种情况下边界是不确定的。
因此，与在硅或碳化硅上异质生长的氮化镓缓冲层相比，或与在体块衬底上同质生长的氮化镓缓冲层相比，氮化铝缓冲层能在射频HEMT中实现更好的热管理。这将提高AlN缓冲层器件的性能，尤其是高功率射频晶体管的性能。但必须注意的是，这些数值是基于近乎完美的晶体质量的，而实际外延晶体的质量决定了实际器件中遇到的热阻值。因此，这些预期器件性能提升的转化在很大程度上取决于所生长材料的质量。
氮化铝器件制备
晶体生长是设计任何高性能电子器件的第一步，也是最重要的一步。III族氮化物生长的研究已有五十多年的历史。早在1960年，RCA就开始对电子级氮化镓晶体的生长进行调查和研究。常用的外延生长技术有金属有机化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）。传统上，在氮化镓器件生长过程中，AlN可用作成核层，以消除氮化镓与衬底之间的晶格失配，并提高后续层的质量。在 Al(Ga)N/GaN HEMT 结构中，AlN还被用作薄缓冲层/间隔层。
蓝宝石衬底或块状单晶衬底上的紫外发光二极管和激光器，以及氮化镓平台上的晶体管，推动了电子级氮化镓生长的最新研究。这些技术需要比GaN HEMT厚得多（通常为0.5-1µm）的氮化镓层。
仔细观察用于晶体管应用的Al极性AlN生长，厚AlN缓冲层是AlN平台的重要基石。多个研究小组已经证明了使用MOCVD、等离子体辅助 (PA) MBE 、氨(NH3) MBE可生长HEMT的氮化铝缓冲层。AlN层生长在不同的基底上，如通过MOCVD在蓝宝石、6H-SiC和AlN体块单晶衬底上生长的AlN。与AlN相比，6H-SiC的晶格失配率低、热导率高，而且可提供大尺寸晶片，因此通常是大功率射频晶体管的首选衬底。此外，它还开辟了通过基底通孔（TSV）与SIW技术（SIW）集成的特有潜力。6H-SiC上MBE生长的1µm厚AlN缓冲层上的器件，典型的位错密度在∼109cm-2区间。必须指出的是，SiC薄膜上的全应变氮化铝（最高可达700 nm）已被证实具有108cm-2左右的穿线位错密度。降低位错密度应能减少肖特基栅极晶体管的栅极漏电，从而实现高导通/关断比。最近，通过优化晶体表面清洗，MBE成功地在AlN单晶衬底上实现了高质量的同位外延AlN。
由于AlN带隙宽，杂质掺杂的活化能高，因此AlN层是电绝缘层，在晶体管中显示出较低的缓冲泄漏。如图3所示，在缓冲区的顶部，为n沟道器件生长了一个具有二维电子气体（2DEG）的有源区。GaN层通常厚度为20-200纳米，用作沟道层。厚度达30纳米的氮化镓层已被证明可与氮化铝缓冲层形成同构应变。然后在上面生长的AlN势垒会在AlN/GaN界面产生密度为 2-4×1013cm-2的高密度2DEG。沟道厚度和势垒厚度是调节2DEG密度的独立旋钮。据测量，在2-3×1013cm-2的高密度下，这些2DEG的典型室温霍尔迁移率约为700cm2V·s-1。尽管这一数值低于GaN HEMT中较低密度2DEG的迁移率（1800cm2V·s-1），但高电荷密度和高电导率使 AlN/GaN/AlN HEMT具有低RON和高导通电流密度。一些研究小组还利用AlGaN势垒代替AlN势垒，在2DEG密度为1×1013cm-2的情况下证实了更高的迁移率2DEG∼1400-2000 cm2V·s-1。这就放弃了具有松弛势垒的优势，而松弛势垒是射频 HEMT可靠性的首选。
图3：（a）MBE 生长的AlN/GaN/AlN异质结构的透射电子显微镜（TEM）图像，显示原子般清晰的界面。（b）经过完全处理的T门控AlN/GaN/AlN HEMT横截面图。（c）异质结构的能带图，显示了预测的2DEG和2DHG的形成。
由于能够在GaN沟道/AlN缓冲层界面上产生高密度的二维空穴气体（2DHG），AlN缓冲层也为p沟道晶体管提供了一个独特的平台。这与Al(Ga)N/GaN n沟道HEMT结构的p型类似。它不需要任何受体掺杂来产生空穴。未掺杂的GaN/AlN异质结构在室温下的空穴密度为5×1013cm-2，霍尔迁移率为25cm2V·s-1。
在同一平台上同时存在高密度2DEG和2DHG使其对宽带隙CMOS器件极具吸引力。在这一平台上已经实现了p沟道器件和n沟道器件。
AlN/GaN/AlN功率放大器
完善的III族氮化物异质结构设计是所有大功率毫米波器件必须建立的基础。如前所述，AlN 是最理想的III族氮化物缓冲材料，因为它能同时限制2DEG和2DHG，而且电绝缘和热传导性能均优于GaN。对毫米波性能同样重要的是顶部势垒的材料选择。对于射频放大器来说，高跨电导和增益至关重要，因此有必要将阻挡层做得尽可能薄。这正是材料选择的关键所在，因为顶部势垒材料需要一定的厚度才能产生足够的电荷密度，从而限制了垂直扩展。
为了量化这一点，我们使用自洽一维薛定谔-泊松解算程序模拟了在Ga极GaN沟道上的 AlGaN、InAlN和AlN顶部势垒产生2×1013cm-2的高密度2DEG所需的势垒厚度（图4）。即使是20纳米厚的Al0.3Ga0.7N势垒，也无法达到理想的高密度2DEG值，只能达到1.4×1013cm-2。InAlN势垒在当前GaN HEMT设计中也很流行。In0.17Al0.83N的效果更好，在6 nm厚的势垒上产生了2×1013cm-2的二维电荷。值得注意的是，只有1.4 nm厚度的AlN顶部势垒也能达到了2×1013cm-2的2DEG临界值。这一下降是由于AlN/GaN界面的极化差增大了。当AlN顶部势垒和GaN沟道应变为AlN缓冲层时，所需的AlN厚度会略有变化，但这一简单的比较可用于证明AlN相对于其他常见顶部势垒半导体的总体可扩展性。AlN提供的较小顶部势垒厚度对于未来的超大规模毫米波器件至关重要，因为经验表明，当栅长度与势垒厚度比（LG:tb）小于5时，电导率会迅速下降。这是由于栅极与2DEG之间的距离增大，导致栅极控制能力不足而产生SCE。值得注意的是，SCE还在很大程度上依赖于背势垒的存在，而且背势垒和薄顶部势垒对于有效缓解超栅极HEMT的SCE都是必要的。虽然LG/tb<5可能会随全异质结构设计的不同而变化，但它可以作为商业上可行的器件设计栅极长度限制经验法则。根据这一规则，要实现具有高密度2DEG且无明显SCE的射频器件，AlGaN势垒需要100nm的LG，而InAlN则需要LG=30nm。这是一个明显的限制因素，因为工业界已经证实栅极长度可短至20nm。如果采用1.4nm的理想AlN顶部势垒，并考虑到2DEG的中心距界面1nm，则可将SCE的栅极长度控制在10nm。为最大限度地提高垂直扩展能力，并利用最先进的现有栅极技术，采用AlN顶部势垒是非常有利的。
图4：突出显示了生成高密度（2×1013cm-2）二维电子元件所需的AlN、InAlN和AlGaN顶部势垒厚度。AlN需要1.4nm的厚度，而InAlN需要6nm。就AlGaN势垒而言，当势垒厚度为20nm时，二维电子元件密度可达1.4 ×1013cm-2。
在顶部势垒和缓冲层中都加入氮化铝，形成了AlN/GaN/AlN异质结构。通过分子束外延 (MBE)技术在这种异质结构上生长的器件于2012年首次报导。该报导中，GaN沟道的厚度增加到30nm。这提高了2DEG的约束能力，并最大限度地缩短了有源区到导热性更强的AlN 缓冲层之间的距离。薄GaN沟道的另一个作用是，它可以与AlN缓冲层形成对等变形应变。由于GaN和AlN之间的高导带偏移，这将通过GaN沟道向上传递到AlN顶部势垒，从而形成一个宽松的顶部势垒，提高器件的可靠性，并能在厚度仅为1nm时防止产生大量漏电流。
对于大功率毫米波应用而言，最关键的也许是AlN拥有III族氮化物中最大的带隙，因此也拥有最大的临界电场。这有利于提高器件击穿场强，从而显著提高最大输出功率。因此，我们研究了栅漏长度(LGD)在0.27至5.1µm之间的AlN/GaN/AlN HEMT的击穿特性。对于射频放大器，击穿电压指标定义为ID⩾1mA mm-1时的电压。在测量过程中，器件被覆盖在Fluorinert中。图5(a)显示了具有不同栅极-漏极距离的三个AlN/GaN/AlN HEMT的三端离态击穿情况。在所有器件中，观察到的最高击穿电压为VBD=591V（LGD=5.1µm），对应的平均电场(EBD)为1.16MV cm-1。所有测量器件在击穿时的平均电场都高于1MV cm-1，其中80%的射频器件的平均击穿电场高于1.5MV cm-1，最高可达2MV cm-1。在击穿之前，栅极电流与漏极电流大致相等。因此，击穿很可能是由于栅漏而不是雪崩或沟道击穿造成的，因此与材料极限相去甚远。虽然人们对氮化镓HEMT的一般击穿机理仍不完全了解，但在AlN/GaN/AlN HEMT中观察到的持续高击穿电场却为异质结构的射频放大器潜力带来了希望。高击穿电压可转化为高工作电压，如图5(c) 所示，在漏极偏压为30 V时的小信号性能证明了这一点，得出约翰逊品质因子为2.2THz· V。
图5：（a）具有不同栅漏分离度的三种 HEMT的硬击穿。（b）击穿电压随0.27至5.1µm 栅极-漏极间距的变化而变化。（c）将AlN/GaN/AlN HEMT与采用亚微米LGD和无场板的最先进 GaN HEMT进行比较的约翰逊品质因子基准图。图表来自 Hickman 等人。
近期，研发人员制造了用于大信号放大测量的AlN/GaN/AlN HEMT。AlN/GaN/AlN异质结构是通过MBE在6H-SiC衬底上生长出来的。AlN/GaN/AlN HEMT的制造工艺突出表现在MBE 生长的欧姆触点和电子束光刻(EBL)定义的T形栅极。再生长工艺首先使用铬/二氧化硅硬掩膜对再生长触点区域进行图形化。然后通过基于氯的电感耦合等离子体(ICP)对样品进行蚀刻，使 2DEG从侧面暴露出来。将样品装入MBE，在MBE中，重度n型掺杂（[Si]∼1020cm-3）的GaN 重新生长，与2DEG形成欧姆接触。硬掩膜通过缓冲层氧化物蚀刻去除。这种再生长工艺产生的接触电阻为 0.23Ω·mm。如图6（a）所示，T门器件的导通电流高达3.3A mm-1。在AlN顶部势垒厚度为4 nm、相应电荷密度为3×1013cm-2的条件下，就能获得如此高的导通电流。在一系列栅极和漏极偏置点上进行了小信号测量，最佳单偏置点截止频率（ft）和最大振荡频率（fmax）分别为140GHz和239GHz。最后，对这些器件进行了初步的大信号测量，得出55%的高功率附加效率(PAE)，以及6GHz时2.8W mm-1的相应输出功率(Pout)。在此PAE/Pout下的输出电流密度为500mA mm-1。这些初始器件受到增益压缩的限制，这是制造工艺不成熟的产物，包括但不限于未优化的SiN-last钝化。未优化SiN的长期解决方案是在异质结构的MBE生长过程中沉积的原位钝化。目前正在努力大幅增加顶部AlN势垒的厚度（>20nm），这将使表面大大远离沟道，从而减轻频散和随后的增益压缩。在这种情况下，将使用凹入式栅极触点来保持毫米波频率下的增益。
图6：（a）AlN/GaN/AlN HEMT的输出特性，显示Ron=0.8Ω·mm和3.3A mm-1的高导通电流。 （b）这些器件的初始负载-拉力特性，显示55%的功率附加效率 (PAE)，但增益压缩明显，在6GHz时将输出功率限制在2.8W mm-1。
虽然目前工艺的不成熟限制了氮化铝平台上射频晶体管的输出功率，但大击穿、接近历史记录的导通电流、良好的小信号测量和高PAE都显示出更高的潜力。再加上经过优化的异质结构能够实现最积极的垂直扩展，这表明AlN/GaN/AlN HEMT不久将能够在毫米波频率下实现更高的输出功率（>10W mm-1）。
AlN基CMOS
宽带隙CMOS（尤其是氮化物）的前景一直受限于p型导电性材料及物理学的发展。氮化镓p型技术的困难在于重价带有效质量（低迁移率）和深价能（难以接触）。此外，较大的受体电离能（镁为150-200meV）导致掺杂活化效率低至5%以下。虽然许多结构（GaN/AlGaN、GaN/AlInGaN、InGaN/GaN）都利用极化来诱导空穴气体，但只有在 AlN平台上，利用相对简单的Ga极GaN/AlN异质结构，在不使用受体掺杂的情况下，成功地在氮化物中证实了二维空穴气体。这是普遍的Al(GaN)N/GaN 2DEG的p型模拟，可用作射频 HEMT的沟道。
GaN p沟道的另一个问题是空穴迁移率比电子低，声子散射将室温空穴迁移率限制在∼50cm2V·s-1（相比之下，GaN 2DEG 的空穴迁移率为∼1000-1800 cm2V·s-1）。因此，为了最大限度地减小薄层电阻，载流子密度必须承担大部分重任。如图7所示，与n型器件相同，GaN/AlN界面提供了最大化的极化差，并产生了5×1013cm-2的2DHGs密度，是所报道的III族氮化物中最高的。
实现氮化镓CMOS商业化的一个更实际但同样重要的障碍是n型和p型器件的整合难易程度。在需要掺杂和/或多沟道结构的p型异质结构中，很难在同一异质结构上生产出高质量、高密度且易于获得的2DHG和2DEG。幸运的是，用于产生n沟道FET/HEMT结果的AlN/GaN/AlN 异质结构也包含精确的GaN/AlN 界面，从而产生了图7所示的高2DHG载流子密度。有研究表明，经过低功耗ICP/RIE蚀刻去除顶部AlN势垒层后，2DEG被消除，只剩下2DHG，这反映在霍尔电导率从n型变为p型。应该承认，这种方案在集成方面仍然存在挑战，例如实现与刻蚀暴露的 p 沟道的低电阻接触和凹槽蚀刻控制。不过，正是异质结构的简单性与2DEG和2DHG的质量相结合，才为实现高性能氮化物CMOS提供了真正的机会，而氮化铝平台则为实现这一目标提供了可能。
图7：GaN/AlN异质结构中的2DHG与其他已报道的III族氮化物上的2DHG的比较。请注意，迄今为止，在没有掺杂受体的异质结构中，唯一见诸报道的2DHG是GaN/AlN 2DHG。与其他平台上其他空穴气体的比较可参见Chaudhuri等人的文章。
未完待续。。。
原文源于【IOPSCIENCE】
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