行业 | AlN上的集成电力电子：材料与器件

原文标题
Integrated Electronics on Aluminum Nitride: Materials and Devices

原文作者
Reet Tapaskumar Chaudhuri, Ph.D. Cornell University 2021

全文链接

https://ecommons.cornell.edu/items/b2627ed7-24c0-449a-af46-8c9457bf29f6

https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-17199-4

https://www.amazon.com/Integrated-Electronics-Aluminum-Nitride-Materials/dp/3031171985

本论文/书籍简介

• 由Springer出版集团2022年出版

• 康奈尔大学2021年优秀博士学位论文

• 阐述了氮化铝电力电子器件的原理、器件物理和应用

• 展示了氮化铝如何满足下一代高频通信的需求

摘要

超宽带隙（UWBG）半导体氮化铝（AlN）传统上被用于光电子学领域，以及作为射频（RF）微机电系统（MEMS）中的压电层。现在，AlN作为一个电子平台，被定位为满足下一代高频通信需求的有力候选者。这归功于其独特的集成能力，能够将射频有源器件（如晶体管）和无源射频器件（如滤波器、天线和波导）集成到单一芯片上。

这篇论文代表了在AlN平台上实现集成射频电子愿景的重要一步。通过精心设计的极化物理、异质结和外延生长技术，在这个原本的电绝缘体上实现了导电通道，并进一步用于制造创纪录性能的互补n型和p沟道型晶体管。

首先，介绍了在GaN/AlN异质结构中发现了长期缺失的未掺杂III族氮化物二维空穴气体（2DHG）。研究发现，使用精心设计的阻挡层抑制来自衬底的杂质对于实现这些2DHG的可重复、大面积生长至关重要。这些2DHG克服了GaN受主掺杂的限制，展现出创纪录的高p型导电性。结合同类最佳的低电阻Mg-InGaN欧姆接触，这些2DHG随后被用于实现首批打破GHz速度壁垒的氮化物p沟道晶体管。

其次，通过在GaN/AlN异质结构顶部添加一层薄AlN，诱导出了一个平行的二维电子气（2DEG）。该结构的电致发光证明了首次出现的极化诱导的2DEG-2DHG双层结构。然后详细研究了AlN/GaN/AlN异质结构中的高密度2DEG，以用作基于AlN高电子迁移率晶体管（HEMT）的毫米波功率放大器（PA）中的通道。这种2DEG提供了访问GaN导带电子态的途径，这些态在磁输运测量中比以往任何时候都高，通过这些测量，在2-3×10¹³ cm^-2的密度下提取了0.3m₀的电子有效质量。最先进的缩放AlN HEMTs展示了在高达94 GHz的操作频率下约2 W/mm的输出功率。通过一种独特的原位AlN钝化技术，提供了一条通往更高输出功率的道路，该技术大幅减少了AlN HEMTs表面态的射频-直流色散。通过将GaN通道层缩小到3 nm，首次在AlN金属氧化物半导体（MOS）-HEMTs中实现了用于互补逻辑和射频电路的增强模式操作。

该论文接着详细介绍了如何将这些有源射频器件集成到AlN平台上。结合最近展示的无源射频组件，如与有源器件相同的材料上的外延AlN体声波（BAW）滤波器和SiC基底集成波导（SIW），这项工作将为AlN平台上的射频和互补集成UWBG电子产品解锁新的高效率和低成本应用空间。