行业 | 亚利桑那州立大学在单晶AlN衬底上实现kV级AlN基MESFETs

原文标题
High-voltage kV-class AlN metal-semiconductor field-effect transistors on single-crystal AlN substrates

原文作者
Bingcheng Da , Dinusha Herath Mudiaynselage , Dawei Wang , Ziyi He , and Houqiang Fu，School of Electrical, Computer, Energy Engineering, Arizona State University

原文链接
https://doi.org/10.35848/1882-0786/ad85c0   Applied Physics Express 17, 104002 (2024)

项目支持方
美国国家科学基金会(NSF)

摘要

本文展示了基于单晶AlN衬底的高压AlN基金属-半导体场效应晶体管（MESFETs）及其电学特性表征。相较于采用异质衬底的AlN基MESFETs，本研究所开发的AlN-on-AlN基MESFETs在15μm漏栅间距下实现了超过2kV的高击穿电压，并且在已报道的AlN基MESFETs中展现了创纪录的平均击穿电场强度。此外，该器件优化了漏极饱和电流与开关比性能，且无需依赖复杂的再生或渐变接触层设计，其性能指标显著优于现有的蓝宝石异质衬底上的AlN基MESFETs。此项创新性工作为超宽带隙AlN基电力电子器件的未来发展奠定了坚实基础。

超宽带隙（UWBG）半导体材料，如Ga₂O₃、金刚石和AlN，近年来因其适用于新一代高压高温电子器件而受到了广泛的研究关注。在这些材料中，AlN以其高达12 MV/cm的击穿电场和6.2 eV的带隙脱颖而出，展现出AlN在高压电力电子领域的巨大潜力。然而，AlN电力电子器件的仍处于开发阶段，面临着诸如缺陷、掺杂和接触等材料和器件层面的重大挑战。传统上的大多数AlN薄膜是在异质衬底（如蓝宝石）上生长的，但由于较大的晶格失配导致了高缺陷密度，从而影响了器件性能。硅通常被用作AlN的n型掺杂剂，但其超过200 meV的电离能导致掺杂剂激活率较低。此外，在低硅掺杂水平下，碳和位错作为补偿剂，而在高硅掺杂水平下，缺陷复合体会降低自由电子载流子浓度。因此，硅掺杂的AlN层通常表现出有限的自由电子浓度，大约在10¹⁵ cm^-3的数量级。另外，由于AlN的大带隙和低载流子浓度，大多数金属与AlN形成类似肖特基的接触，这使得AlN的欧姆接触成为另一个重大挑战。尽管存在这些挑战，但AlN肖特基势垒二极管具有优异高温高压性能。我们使用单晶AlN衬底进行的AlN层的同质外延生长，已经实现了具有低缺陷密度的高质量AlN外延层。最近，相关文章也报道了在异质衬底上的AlN基MESFETs。

Okumura等人报道了使用Si离子注入进行n型掺杂的AlN基MESFETs，室温下最大漏极电流仅为9 μA/mm，开/关比约为100。Hiroki等人报道了在SiC上的AlN基MESFETs，采用了AlGaN梯度接触层，实现了最大漏极电流45 mA/mm，但由于梯度接触层的复杂性，其生长和制备过程相当复杂，可能导致额外的成本以及可靠性和良率等问题。在这项研究中，我们展示了在没有复杂接触层的情况下，在单晶AlN衬底上实现了AlN-on-AlN基MESFETs，其击穿电压超过2 kV，并且相较于AlN-on-Sapphire器件，实现了更高的最大漏极电流和开/关比。这项工作代表了AlN电力技术的重要进步，并为未来高性能超宽禁带AlN电力电子器件的开发打开了大门。

AlN基MESFETs的外延层是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在单晶AlN衬底上生长的，该衬底的位错密度约为10³ cm^-2。Al和N的前体分别是三甲基铝（TMAl）和氨气（NH₃）。采用硅烷（SiH₄）作为硅源实现n型掺杂。生长过程是在1250°C的温度和20 Torr的压力下进行的。有关AlN的MOCVD生长的更多细节可以在其他文献中找到。制备的器件结构如图1(a)所示。该结构包括一个1 μm厚的未掺杂AlN层作为缓冲层，一个200 nm厚的高Si掺杂n-AlN层作为沟道层，掺杂浓度为1 × 10¹⁹ cm^-3，以及顶部的2 nm非故意掺杂的GaN覆盖层，用于在从生长室取出后与空气接触时保护AlN外延层不受表面氧化。同质外延生长的AlN外延层表现出平滑的表面形态，通过原子力显微镜测量的均方根粗糙度约为0.4 nm，通过高分辨率X射线衍射测量的位错密度低至10⁴ cm^-2。有关表面表征的更多细节可以在其他文献中找到。与在蓝宝石上的异质外延AlN相比，单晶AlN衬底上的同质外延AlN的位错密度低三个数量级，这可以提高AlN器件的性能。

图1. (a) 制备的AlN基MESFETs的示意图和 (b) 顶视图显微镜图像。

器件制备从表面清洁开始，包括用盐酸浸泡和在丙酮、异丙醇以及去离子水中超声波清洗，以去除样品表面的污染物。AlN基MESFETs的制备采用了传统的光刻和剥离工艺。使用BCl₃等离子体反应离子刻蚀（ICP）进行台面隔离，刻蚀深度约为700 nm，进入AlN阻隔缓冲层。源极和漏极接触由Ti（30 nm）/Al（100 nm）/Ni（30 nm）/Au（50 nm）金属堆叠层组成，通过电子束沉积形成，随后在氮气氛围下进行950°C的快速热退火30秒。栅极电极是由Ni（30 nm）/Au（100 nm）金属堆叠层通过电子束沉积而成。在配备热夹具的探针台上使用Keithley 4200 SCS半导体分析仪进行电气测量。反向击穿测量使用Keysight B1505A功率器件分析仪进行。图1(a)展示了AlN基MESFETs的横截面示意图。源极至栅极长度（L_sg）和栅极长度（L_g）均为2 μm，栅极至漏极长度（L_gd）从2到15 μm不等。图1(b)展示了制备的AlN基MESFETs的府视图显微镜图像，其中L_gd = 4 μm。

图2(a)通过传输线方法（TLM）展示了室温下AlN的欧姆接触行为。随着TLM垫片间距（d）的增加，电流相应减小。由于金属/半导体界面处的高势垒，AlN欧姆接触的I-V特性是非线性的，这对于AlN和高Al含量AlGaN来说是典型的。图2(b)展示了温度范围从298 K到423 K时，d = 5 μm的I-V特性。欧姆接触的薄膜片电阻（R_s）和接触电阻率（ρ_c）在图2(b)中被提取出来。由于I-V特性的非线性，电阻是在特定电压或电流值下计算的。在这种情况下，通过在对应电流（R = V/I）处除以电压来确定电阻。我们观察到室温下的ρ_c为7.7 × 10^-1 Ωcm²，并且在473 K时达到最小值1.5 × 10^-1 Ωcm²。这种在高温下降低接触电阻率的现象很可能是由于热激发电子通过有效变薄的势垒和/或热电子发射更容易地穿过金属/AlN界面。薄膜片电阻（R_sh）在室温下为2.4 × 10⁷ Ω/sq.，并在423 K时降低到6.6 × 10⁵ Ω/sq.。此外，本工作中的ρ_c在室温和高温下都小于和/或可比于在蓝宝石上Si注入的AlN。

图2. (a) 在298K下n-AlN TLM结构的I-V特性曲线。 (b) 从298K到423K，d=5 μm n-AlN TLM结构的I-V特性曲线。 (c) 从TLM测量中提取的与温度相关的片电阻（R_s）和接触电阻率（ρ_c）

图3(a)展示了室温下L_gd = 2 μm的AlN基MESFETs的输出特性。AlN基MESFETs具有常开操作特性，并且当栅极电压（V_gd）< -20 V时出现夹断特性。漏极电流（I_ds）可以通过栅极电压（V_gs）有效调节，并显示出良好的饱和特性。最大I_ds为56 μA/mm，对应于V_gs = +9 V，这是报道的AlN-on-Sapphire MESFETs的6倍。I_ds的增加可以归因于同质外延AlN层的较低片电阻（2.4 × 10⁷ Ω/sq.），相比于蓝宝石上AlN层的片电阻为8 × 10⁷ Ω/sq.。图3(b)展示了室温下，在漏极偏置（V_ds）= +40 V时，不同L_gd从2到8 μm的AlN基 MESFETs的转移特性。最小的关态I_ds为3.3 × 10^-8 A/mm，而对于L_gd = 8 μm的器件，开/关比约为700，这是之前AlN-on-Sapphire MESFETs的大约6倍。室温下的最大跨导在L_gd = 2 μm的器件上为1.49 μS/mm。

图3. (a) 室温下L_gd = 2 μm的AlN MESFET的I_d-V_ds特性。(b) 室温下不同L_gd的AlN基MESFETs的转移特性及跨导。

图4(a)展示了AlN基MESFETs在298至423 K温度范围内的I_g-V_gd特性。在所有温度下均获得了优异的整流特性。在V_gd = -20 V时，反向栅极漏电流I_g小于1.7 × 10^-9 A/mm。反向栅极漏电流几乎是恒定的，显示出随着温度升高，栅极控制稳定。图4(b)展示了在298至423 K不同温度下，L_gd = 4 μm的AlN基MESFETs的转移特性。图4(c)显示了AlN基MESFETs的最大漏极电流(I_d)和最大跨导(g_m,max)随温度的函数关系。随着温度从室温升至423 K，I_d从2.06 × 10^-5 A/mm增加到3.42 × 10^-4 A/mm，而g_m,max从1.19 × 10^-6 mS/mm增加到2.45 × 10^-5 mS/mm。随着温度从室温升至500°C，电子浓度显著增加，从1 × 10¹⁵ cm^-3增加到5.6 × 10¹⁷ cm^-3，而迁移率相对较慢的从156 cm² V^-1 s^-1减少到52 cm² V^-1 s^-1。因此，随着温度的升高，n型AlN层的电导率增加，导致高温下输出性能增强。这与传统的宽禁带半导体如GaN和SiC形成对比，在这些半导体中，基于这些半导体的FET的整体正向性能随着温度的升高而恶化，主要是由于电子迁移率受声子散射的主导减少。在器件漏电方面，室温下的关态漏电流约为2.4 × 10^-8 A/mm，并随着温度的升高而增加。为了确定主要的电流漏电路径，测量了通过未掺杂AlN缓冲层的电流流动，并发现与关态电流相比可以忽略不计。高温下的栅极漏电也很小。因此，高温下关态漏极电流的增加可能是由于AlN沟道层中增强的电导率和增加的未调制沟道层电子的结果。

图4. (a) 不同温度下从室温至423 K的AlN基MESFETs的I_g-V_gd特性。(b) 不同温度下从室温至423 K的AlN基MESFETs的转移特性。(c) 从室温至423 K的最大I_d（红色）和g_m（蓝色）的温度依赖性。

图5. (a) 不同L_gd的AlN基MESFETs的关态击穿特性。(b) AlN基MESFETs的击穿电压作为L_gd的函数。(c) 报道的AlN基MESFETs在击穿电压方面的比较。(d) 报道的AlN基MESFETs在平均击穿场方面的比较。

图5(a)展示了不同L_gd（从2到15 μm）的AlN基MESFETs的关态击穿特性。由于电场拥挤效应，在器件边缘观察到了破坏性击穿。应当注意的是，该器件在高电压模式下的电流分辨率相对较低。图5(b)展示了室温下V_gs设置为-30 V时，AlN基MESFETs的击穿电压（V_br）与L_gd的函数关系。器件的V_br随着L_gd从2 μm增加到15 μm而从442 V增加到2010 V。图5(c)和图5(d)展示了在不同衬底上报道的AlN基MESFETs的比较。Lemettinen等人报道了在SiC上的N极性AlN基MESFETs，其V_br约为1 kV，Okumura等人报道了在AlN-on-Sapphire上的AlN基MESFETs，其L_gd = 25 μm时V_br约为2.3 kV，Hiroki等人报道了在SiC上带有AlGaN梯度层的AlN基MESFETs，其V_br约为1.7 kV。与AlN-on-SiC MESFETs、AlN-on-Sapphire MESFETs以及AlN-on-SiC MESFETs相比，我们的AlN-on-AlN器件在最小的L_gd为15 μm时击穿电压超过2 kV，并且具有最高的平均击穿场1.25 MV cm^-1。目前正在进一步工作中实施电场管理方法，如场板，以提高击穿场。

总之，我们制备了在单晶AlN衬底上同质外延生长n型AlN沟道层的AlN基MESFETs。获得了低接触电阻，并且对于L_gd = 15 μm的器件实现了最高2010 V的关态击穿电压。与AlN-on-Sapphire等异质衬底的AlN基器件相比，制备的器件显示出良好的饱和和夹断行为，以及更高最大的I_ds、g_m和开/关比，且没有复杂的接触层。这些结果可以为开发用于高压高功率应用的高性能AlN基电力电子器件提供重要参考。