原文标题
Invited）Ultra-Wide Bandgap AlGaN Alloys for RF & Power Lateral Transistors
原文作者
Andrew A. Allerman¹, Andrew M. Armstrong¹, Brianna A Klein¹, Seungheon Shin², Yinxuan Zhu², Chandan Joishi², Dongseop Lee², Aaron Arehart², Steven Ringel² and Siddharth Rajan² 1. Sandia National Laboratories 2. Ohio State University
原文链接
https://iopscience.iop.org/article/10.1149/MA2025-02351714mtgabs, ECS Meeting abstracts, Volume MA2025-02
项目资助方
美国陆军研究办公室DEVCOM UWBG射频中心，桑迪亚国家实验室定向研究与开发计划
摘要
超宽禁带（UWBG）AlGaN合金（Al组分 xAl > 0.50）因其固有的高临界电场强度，以及由此产生的、优于当前GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）技术的约翰逊优值（∝ Ecrit * vsat），正被研究用于下一代高频（> 90 GHz）射频晶体管。此外，与GaN相比，超宽禁带AlGaN合金更大的临界电场使得功率晶体管能在不增加器件面积的情况下实现更高的击穿电压，同时其更宽的禁带宽度（Eg > 5 eV）支持器件在更高温度下工作。
然而，实现实用的AlGaN基晶体管面临着重大挑战。首先，AlGaN合金中较大的金属-半导体势垒高度导致使用传统合金金属接触时产生难以接受的高接触电阻，从而阻碍了实用射频开关的开发。作为替代方案，组分渐变的接触结构如果能实现费米能级位于导带，则可以产生无异质势垒的电子注入，从而获得低电阻接触。这要求在组分渐变范围内的合金具有很高的载流子浓度（即近简并掺杂），而随着Al组分的增加，这一点越来越难以实现。通过优化金属有机物化学气相沉积生长条件，我们分别在Al0.68Ga0.32N和Al0.15Ga0.85N中实现了1.1×1020 cm-3和3.3×1020 cm-3的霍尔电子浓度。对线性组分渐变接触至硅掺杂的Al0.83Ga0.17N金属半导体场效应晶体管（MESFET）层进行优化后，获得了3.6×10-7 Ω·cm²的比接触电阻，这比该Al组分下已报道的最佳接触电阻低了约2个数量级。在一个由Al0.86Ga0.14N势垒层和500 nm厚Al0.70Ga0.30N沟道层组成的富铝HEMT异质结构上，测量得到的比接触电阻为7×10-7 Ω·cm²，接触电阻为0.34 Ω·mm。
第二个挑战是AlGaN合金的热导率相对于SiC、AlN和GaN较低。最简便降低热阻和沟道温度的有效方法是采用在AlN单晶衬底上生长薄AlxGa1-xN沟道层（< 10 nm）。但从AlN单晶衬底到沟道层Al组分的降低（即背势垒）会引入固定的极化电荷，当沟道厚度在20 nm或更薄时，该电荷会基本耗尽沟道中的二维电子气。我们研究表明，通过在生长沟道层之前精心引入硅δ掺杂层，具有AlN势垒和5 nm厚Al0.50Ga0.50N沟道的HEMT，其方块电阻与具有约100 nm厚Al0.50Ga0.50N沟道且不受背势垒耗尽效应影响的结构相当。
在AlN势垒层和衬底之间插入薄的AlxGa1-xN沟道和硅δ掺杂背势垒，提供了灵活的器件设计和具有高导热性的外延器件结构。低电阻接触与为最大化热导率而优化的器件结构相结合，使得我们能够在摆脱前述限制的情况下评估AlN单晶衬底基AlGaN横向晶体管的本征特性。
本研究由美国陆军研究办公室DEVCOM UWBG射频中心（项目主任：Tom Oder博士）和桑迪亚国家实验室的定向研究与开发计划资助。桑迪亚国家实验室是一个多任务实验室，由霍尼韦尔国际公司的全资子公司——桑迪亚国家技术与工程解决方案有限责任公司，根据DE-NA-0003525合同为美国能源部国家核安全管理局运营管理。本文表达的观点不一定代表美国能源部或美国政府的观点。
原文源于【IOP Publishing】官网