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Pioneering N-polar HEMTs
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https://compoundsemiconductor.net/article/116627/
刊登于Compound Semionductor 官网 2023年4月27日
扫描电子显微镜拍摄的全工艺制备氮化铝单晶衬底基N极性HEMT器件显微结构
生长于氮化铝（AlN）单晶衬底之上的N极性AlGaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）在射频性能表现与热管理效能方面呈现出极为可观的应用潜力。
美国的一个科研团队宣称成功制备出首个以AlN单晶为衬底的N极性GaN/AlGaN/AlN HEMT器件。此科研团队由康奈尔大学（Cornell University）、圣母大学（University of Notre Dame）以及日本旭化成公司（Asahi Kasei Corporation）联合组建而成。该团队宣称，此类晶体管具备充分利用AlN在热性能与功率处理能力方面所具备优势的潜力，同时能够发挥N极性结构的优势特性，诸如拥有强大的背势垒。
此类采用AlN缓冲层的HEMTs器件另一显著优势在于其无需依赖深能级掺杂工艺。相较而言，传统GaN基HEMTs必须采用深能级掺杂技术以调控厚外延GaN缓冲层中因晶格失配导致的本征高浓度杂质缺陷。值得注意的是，该厚外延GaN缓冲层的设计初衷在于有效抑制缓冲层漏电效应并降低射频传输损耗。
该团队取得的最新突破，为AlN在高压、高频以及极端环境等关键领域的实际应用开辟了新的可能性。这一重要成果，是基于团队近期成功研发的N极性AlN单晶衬底原位清洗技术而达成的。尤为值得关注的是，该技术的应用直接促成了在AlN单晶衬底上的GaN /Al(Ga)N异质结中二维电子气的发现，这一发现具有重要的学术价值和潜在应用前景。
在AlN单晶衬底上进行材料外延生长展现出一系列显著优势，其中尤为突出的是其能够有效降低外延层的位错密度。具体而言，基于AlN单晶衬底的外延生长工艺通常可将位错密度控制在10⁴ - 10⁵ cm⁻² 的较低水平；相较而言，采用SiC、Si及蓝宝石等异质衬底进行外延生长时，位错密度往往高达10⁹ - 1010 cm⁻² ，这显著增加了器件性能的失配风险。更重要的是，AlN单晶作为本征衬底的另一核心优势在于其能够有效消除界面处的高边界热阻障碍，理论上这一障碍会显著削弱更高热导率材料的优势，如SiC衬底（译者注：宾夕法尼亚州立大学最新测试的GaN/SiC界面的边界热导约305 MW m⁻² K⁻¹，而GaN/AlN界面边界热导约490 MW m⁻² K⁻¹，后者约为前者的1.60倍，点击此链接了解上述报道）。对于选择AlN单晶衬底在器件规模化生产中的适用性，发言人Eungkyun Kim评论道："AlN单晶衬底已充分展现其作为光电子器件和功率/射频器件理想平台的巨大潜力。我们相信，随着AlN单晶生长技术的日益成熟，AlN单晶衬底的成本和供应量都将得到改善。"
该团队所研制的新型HEMTs采用如下制备工艺：首先将厚度100 μm的旭化成（Asahi Kasei）N极性AlN单晶衬底置于等离子体辅助分子束外延（MBE）系统反应腔中，依次外延生长1 μm厚的AlN缓冲层、20 nm厚的Al₀.₉₁Ga₀.₀₉N杂质阻挡层、8 nm厚的沟道层，以及6.4 nm厚的重掺杂GaN帽层——该帽层设计可有效促进非合金化欧姆接触的形成。随后通过热原子层沉积（thermal atomic layer deposition）工艺沉积10 nm厚的Al₂O₃保护层以覆盖N极性界面。完成上述工艺后，采用标准光刻工艺定义源/漏电极接触区域，并通过电子束光刻技术精确制作T型栅极结构。
电学测试结果显示，该HEMT器件的接触电阻值为 0.66 Ω·mm。值得注意的是，现有文献曾报道过其他 N 极性 HEMT 的接触电阻可低至 0.14 Ω·mm。基于此对比分析，该研究团队有较大潜力进一步降低其器件的接触电阻。当把长沟道 HEMT 替换为 T 型栅 HEMT 后，导通电阻从 4.12 Ω·mm 大幅降至 1.56 Ω·mm，最大漏源电流则从 1.2 A/mm 显著提升至 2.6 A/mm。这些性能参数充分彰显了该器件在尺寸缩放方面具备的良好特性。
相较于在SiC衬底上生长的500 nm Al极性AlN层的器件，生长于本征衬底的该变体器件，其缓冲层漏电流降低了两个数量级。该团队认为，这一性能优势源于外延层中较低的位错密度。射频测试结果显示，该器件的最大振荡频率可达 100 GHz，截止频率为 68 GHz。然而，较高的寄生源极电阻以及较低的跨导对该器件性能的进一步提升形成了制约。
Kim坦言，第一代此类器件在电学方面仍有诸多问题有待解决。“当前亟待攻克的关键领域包括提升跨导、降低栅极漏电以及提高击穿电压。一旦我们优化好这些HEMT的电学性能后，我们计划深入探究其热学特性，并证明采用AlN单晶衬底可消除生长界面的边界热阻，采用SiC等异质衬底HEMT的器件级发热问题有望得到解决。”
参考文献
E. Kim et al. Appl. Phys. Lett. 122 092104 (2023)
原文源于【Compound Semionductor官网】
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