行业 | 南卡罗来纳大学基于AlN单晶衬底实现Al0.64Ga0.36N沟道型MOSHFET器件创记录BFOM优值

译自原文
Al_0.64Ga_0.36N channel MOSHFET on single crystal bulk AlN substrate

原文作者
Abdullah Mamun, Kamal Hussain, Richard Floyd , MD Didarul Alam , MVS Chandrashekhar, Grigory Simin, and Asif Khan, University of South Carolina

原文链接
https://doi.org/10.35848/1882-0786/acd5a4  
Applied Physics Express 16, 061001 (2023)

项目支持方
Office of Naval Research (ONR, 美国海军研究办公室)、Army Research Office (ARO, 美国陆军研究办公室)、the U.S. Navy（美国海军）

摘要：

我们在AlN单晶衬底上采用MOCVD工艺实现了Al_0.87Ga_0.13N/Al_0.64Ga_0.36N金属氧化物半导体异质结场效应晶体管（MOSHFET）。与AlN模板上的器件相比，AlN单晶上器件的热阻降低至1/3，从31降至10 K mm W^-1，与SiC和铜散热器相当。这代表了与其他半导体相比热电协同设计具有显著优势。因此，峰值漏极饱和电流从410增加到610 mA mm^-1。测量得到的三端击穿场强为3.7 MV cm^-1，迄今为止，这代表了具有类似Al_xGa_1-xN沟道组成的器件的最高性能。这相当于测量的Baliga优值（BFOM）为460 MW cm^-2。

宽禁带隙III族氮化物高电子迁移率晶体管（HEMTs）已在全球范围内应用于各种电力电子应用，这归功于它们在紧凑尺寸下具有高沟道电流和功率处理能力，这是由高沟道迁移率和临界击穿电场所实现。紧凑型器件还具有降低电容和其他寄生效应的额外优势，从而实现更快的开关速度。宽禁带隙III族氮化物的这些优点已被用于实现高效的电力电子器件，如消费电子产品充电器和下一代电动汽车（EV）。然而，增加的功率密度也导致了整体系统性能中的热限制，例如电流下降和过早失效，限制了III族氮化物宽禁带半导体功率器件的深度缩放。热问题主要是由于目前使用的衬底（硅、蓝宝石、Ga₂O₃等）的热导率较差，导致散热不良。

超宽带隙AlN单晶衬底（带隙>6 eV）具有出色的热导率和高温稳定性，能够为深度缩放的下一代紧凑型电力系统提供被动热管理。除了热优势外，AlN单晶衬底还允许生长赝形外延层结构，用于超宽带隙 Al_xGa_1-xN沟道HEMT器件（Al组分>60%，带隙>4.5 eV）。这种赝形外延层结构中减少的位错原则上可以显著降低栅极电流，从而提高器件稳定性。

在本项工作中，我们展示了一种在AlN单晶衬底上的赝形Al_0.87Ga_0.13N/ Al_0.64Ga_0.36N金属氧化物半导体HFETs（MOSHFET），通过反向组成梯度接触制作Al_xGa_1-xN层实现了线性欧姆接触，并通过厚介电帽层消除了过早的表面击穿。这些创新使得MOSHFET器件具有开启状态峰值漏极电流（I_DS）密度为610 mAmm^-1（在+2 V栅极偏压下）、开-关比约10⁷以及三端关态击穿场强大于3.7 MV cm^-1（对于栅漏间距L_GD = 2.64 μm的器件）。

在本研究中，我们从HexaTech公司购买了一片物理气相传输（PVT）生长的c向AlN单晶衬底（约400 μm厚，Al面化学机械抛光）。本研究的MOSHFET器件外延层结构如图1(a)所示。它是在低压金属有机化学气相沉积（LP-MOCVD）系统中使用我们早期报告中描述的工艺生长在AlN单晶衬底上的。该结构包括一个260 nm的同质外延AlN层，接着是一个140 nm的i-Al_0.87Ga_0.13N背阻挡层，一个100 nm的i-Al_0.64Ga_0.36N沟道层，以及一个23 nm厚的n-Al_0.87Ga_0.13N阻挡层。为了便于形成欧姆接触，该结构顶部覆盖了一个30 nm厚的高度Si掺杂的反向渐变Al_xGa_1-xN层（x = 0.87 → 0.40）。Si掺杂补偿了反向渐变过程中产生的极化空穴。器件制造首先使用基于Cl₂的感应耦合等离子体反应离子刻蚀（ICP-RIE）进行台面隔离。然后通过电子束蒸发（e-beam）沉积Zr/Al/Mo/Au（150/1000/400/300 Å）金属层作为源/漏接触，接着在N₂环境下以950°C快速热退火30 s。接下来，使用ICP-RIE刻蚀去除接入区域的Al_xGa_1-xN反向组成渐变层，并沉积10 nm的SiO₂作为栅氧化层。接下来，用电子束蒸发制备栅极和探针引脚（probe pads）。栅极和探针引脚金属分别由Ni/Au（1000/2000 Å）和Ti/Ni/Au（500/700/1500 Å）组成。最后，通过等离子体增强化学气相沉积将器件嵌入400 nm厚的SiO₂薄膜中来缓解表面电场，以便进行击穿电压测量。除了AlN单晶衬底外，还在3 μm厚的AlN蓝宝石衬底（又称AlN模板）上沉积了相同的外延层结构，制造了相同的器件。

我们的欧姆接触线性是通过传输线模型（TLM）测量确定的，测量时使用台面宽度W = 200 μm，接触间距从4到16 μm不等，适用于两种样品。从中提取出接触电阻分别为4.3 Ωmm（约7.7 × 10^-5 Ωcm²）和4.7 Ωmm（约9.7 × 10^-5 Ωcm²），以及薄层电阻分别为2400 Ω_sq⁻¹和2282 Ω_sq⁻¹，分别对应于AlN单晶衬底和AlN/蓝宝石模板上的器件。AlN单晶基器件的TLM结果显示在图1(b)中。

图1(a) 本研究中高Al组分Al_0.64Ga_0.36N沟道MOSHFET的示意性横截面。(b) AlN单晶的TLM测量结果，其中W = 200 μm，接触间距从4到16 μm。

转移特性（I_DS与栅极电压V_GS的关系）和输出特性（I_DS与漏极电压V_DS的关系）是使用参数分析仪测量的。电容-电压（C-V）测量是使用HP 4284A Precision LCR Meter测量完成的。所有测量都是在晶圆上进行的（未封装器件），没有外部冷却。图2(a)和2(b)显示了在AlN单晶衬底和对照AlN/蓝宝石模板上，具有栅长L_G = 1.8 μm，栅源距离L_GS = 1.2 μm和栅漏距离L_GD = 2.64 μm的AlGaN MOSHFET器件的输出特性。观察到了明显的饱和和夹断现象，分别在V_GS = +2 V和V_DS = 30 V时，AlN单晶的峰值电流为610 mA mm^-1，而AlN/蓝宝石模板的为410 mAmm^-1。与基于AlN/蓝宝石模板的MOSFET相比，在AlN单晶衬底上的MOSFET在最高栅极和漏极电压下未见热下垂，表明其具有优越的热管理性能。为了量化热改进效果，使用我们激光剥离HEMT报告中所述的方法测量了器件的热阻（RTH）。图2(c)显示了获得的10 KmmW^-1（AlN单晶衬底）和31 KmmW^-1（AlN/蓝宝石模板）的热阻。由于接触电阻和薄层电阻几乎不受衬底类型的影响，器件热阻的3倍差异是基于AlN单晶的器件具有显著更高的峰值漏极电流密度的主要原因，根源在于AlN单晶的热导率是蓝宝石衬底的8倍。这种基于AlN单晶衬底的协同设计改进量化了其在热性能方面相对于其他热导率较差的衬底（如蓝宝石和Ga₂O₃）的优势，正如热优值（TFOM）所描述的。

图2(a) AlN单晶和(b) AlN/蓝宝石模板上的Al_0.87Ga_0.13 N/Al_0.64Ga_0.36N MOSHFET的I_DS与V_DS关系图（L_SD = 6 μm，L_G = 1.8 μm）。(c) 在宽度为 200 μm 的 12 μm TLM 间距中测量的这些相同 MOSHFET 的温升与功率密度比较。

在图3中，我们比较了AlN单晶和AlN/蓝宝石模板上的MOSHFET的转移曲线、跨导和栅漏电流。从转移曲线数据中，提取出两种不同衬底类型上器件的开关比约为3.6×10⁷和2×10⁷，这是AlGaN基MOSHFET的典型值。由于两种衬底上的器件都有SiO₂栅绝缘层，因此预期反向栅漏电流的差异可以忽略不计。然而，在正栅压下，基于AlN/蓝宝石模板的MOSHFET的栅漏电流明显更高，这需要进一步研究。从图3(a)和3(b)中，我们得到了几乎相同的阈值电压(V_TH)：-16.9 V（AlN单晶）和-17.3 V（AlN/蓝宝石模板），这是根据我们之前报道的方法得出的。图3(a)和3(b)还突出了在V_DS = 25 V时，栅压依赖的跨导(g_m)。对于AlN单晶，g_m在V_GS = -2.4 V时达到峰值，为45 mS mm^-1；对于AlN/蓝宝石模板，g_m在V_GS = -9.3 V时达到峰值，为34 mS mm^-1。AlN单晶的跨导(g_m = 沟道迁移率μ_n × 栅电容C_G)在更正的栅压下达到峰值，这与上述解释一致，即在AlN单晶衬底上由于热管理改善而实现了更高的电流。在蓝宝石上，加热抑制了沟道迁移率，从而导致了图2(b)中的热下降。在AlN单晶上，这种热瓶颈得到了缓解，允许在热限制抑制跨导之前实现更高的峰值电流。这一解释进一步得到了下面事实的支持：两种结构的栅电容相似，因此沟道迁移率是接近峰值时跨导的主要驱动力。

图3. (a) AlN单晶和(b) AlN模板上MOSFET在V_DS = 25 V时的转移特性和跨导;(c) 两者的栅漏电流(I_G)。

在C-V测量中，选择了大面积器件，其栅长L_G = 100 μm，栅宽W = 200 μm，以便在图4(a)中获得可测量的电容值。请注意，这里的V_TH与从图3的转移特性中提取的值吻合得很好。从图4(a)中，我们提取了面载流子密度，并在图4(b)中将其作为栅压的函数绘制出来。如图所示，在V_GS = 0 V时，面载流子密度为1.79 × 10¹³ cm^-2，且与衬底无关。然后使用我们之前报告中的方法测量了AlN单晶的沟道电子迁移率，约为130 cm² V^-1 s^-1，该方法考虑了接入区域和接触电阻。

图4 (a) 100 μm gated-TLM（GTLM）在1 MHz下的电容-电压特性；

(b) AlN单晶和AlN/蓝宝石模板上MOSHFET的N_S和μ-V_GS关系。

最后，我们测试了AlN单晶上MOSHFET的击穿电压，以量化关态性能。在V_GS = -30 V时，三端击穿电压为V_BR = 959 V，栅漏间距为2.64 μm[图5(a)]。使用图2(a)中的三极管区导通电阻，我们保守估计BFOM约为460 MWcm^-2，包括来自图1(b)中TLM图的传输长度(L_T)的影响。鉴于TLM描述假设了一个各向同性的平面二维电子气(2DEG)，这在退火欧姆接触的情况下不太可能，我们可以合理的预计在L_T = 0时BFOM >750 MWcm^-2。这比其他关于AlN和蓝宝石衬底的类似几何形状横向超宽禁带半导体沟道结果高出约10倍（见表I），使我们的结果处于最先进水平。测量得到的959 V击穿电压对应于平均击穿场强为3.7 MV cm^-1。这仍然是Al_0.64Ga_0.36N沟道器件理论极限约10.0 MV cm^-1的1/3，主要受限于表面闪络，这在图5(a)的插图中很明显。我们认为，未来可以通过使用优化的场板设计来减轻这一问题。在图5(b)中，我们将该器件的峰值漏极饱和电流和击穿场强与其他高质量宽禁带AlGaN沟道场效应晶体管的结果进行了基准测试对比，展示了在AlN单晶衬底上具有反向梯度组成接触层的高Al组分MOSHFET的前景。

a) 常关断设计，场镀栅极

图5 (a) AlN单晶上MOSHFET在V_GS = -30 V时的三端击穿后器件显微图（插图），(b) 本文结果与文献报道的所有AlN单晶和AlN/蓝宝石模板上宽禁带AlGaN沟道HEMT的I_DS,max和击穿场强进行比较（图中注明了沟道组分）。

综上所述，我们展示了在AlN单晶衬底上高Al组分Al_xGa_1-xN（x = 0.64）沟道MOSHFET的最先进性能。反向梯度接触层实现了线性欧姆接触，接触电阻为4.3 Ωmm，峰值漏极电流为610 mA mm^-1（+2 V栅极偏置）、跨导为45 mS mm^-1、开/关比为10⁷，以及三端击穿场强为3.7 MV cm^-1（对于L_GD = 2.64 um），代表了迄今为止这类器件报道的最高性能。通过与AlN/蓝宝石模板上的相同器件进行比较，我们发现基于AlN单晶衬底的MOSHFET的热阻降低了3倍，是其卓越导通状态性能的主要驱动力。

原文源于【IOPSCIENCE】