Mist-CVD增强了MIS-HEMT

借助Mist-CVD，不再需要使用自燃材料和真空泵在GaN HEMT上沉积绝缘体

日本的一家合作组织声称已经生产出了第一款金属绝缘体半导体（MIS）HEMT，其通过Mist-CVD技术添加了氧化铝绝缘层，这是一种经济高效，环保的生长工艺。

HEMT的这种变体比肖特基栅极的变体要少，肖特基栅极具有更简单的结构，更易于制造并产生高跨导。但是，肖特基栅极HEMT的做法有一个缺点：它遭受高泄漏电流，这是由驱动栅极正向偏置的高输入波动引起的。解决这个问题的是MIS结构，该结构是通过在AlGaN层和金属栅极之间插入绝缘层而形成的。

不幸的是，用于实现MIS-HEMT的既定沉积技术要求在真空下使用高度易燃的有毒源。例如，添加氧化铝（Al₂O₃）（具有高击穿场和良好介电常数的绝缘层）的常用方法是使用高度自燃的三甲基铝来进行原子层沉积。

相比之下，日本团队追求的Mist-CVD技术（福井大学，关西学院大学和熊本大学的研究人员之间的合作伙伴关系）具有成本效益和环境友好性，并且沉积是在大气压下进行的，因此不需要消耗大量能源的真空泵。

“最重要的是，Mist-CVD系统采用更安全，更便宜的乙酰丙酮铝作为铝源，”福井大学的研究小组发言人Joel Asubar说。

Asubar拥护该技术的简便性，他指出，Mist-CVD系统只有两个主要部分：雾化器，它与商用超声波加湿器非常相似；还有加热器。

目前的挑战在于控制薄雾的流动，薄雾的一部分是液体，一部分是气体。根据Asubar的说法，正是流体力学知识和源前驱体的热解反应解锁了在半导体表面沉积氧化铝的“秘方”。

为了演示薄雾生长的功能，研究小组将这种方法生产的器件与集成了肖特基栅器件的性能进行了比较。两种类型的晶体管都是由有SiC衬底和24 nm厚的AlGaN势垒的外延片制成的-这种三元化合物产生了二维电子气，其薄层载流子密度为1 x 10¹³ cm^-2，迁移率为1510 cm² V^{- 1}S^-1。

HEMT的制造始于反应离子蚀刻（定义了隔离沟槽）和电子束蒸发（提供源极和漏极触点）。为了制造MIS-HEMT，该团队使用了雾气，通过将乙酰丙酮铝溶解在甲醇中并用2.4 MHz超声换能器雾化这种液态前驱物来添加Al₂O₃。使用氮气载气，仅需90 s即可将该膜沉积在加热至400℃的样品上。

通过在3µm长，100µm宽的栅极，栅极至漏极和栅极至源极间距分别为10μm和4μm的器件上进行测量，证明了通过Mist-CVD制造的MIS-HEMT比肖特基栅极的MIS-HEMT具有更好的性能。栅极泄漏电流降低了三个数量级，允许使用+ 3V栅极-源极，从而将最大漏极电流提升至780 mA mm^-1。此外，反向击穿电压更高为320V，肖特基栅只有210 V。

Asubra还比较了用Mist-CVD制造的MIS-HEMT与使用相同绝缘层的ALD制造的MIS-HEMT的报告。用Mist-CVD制备的薄膜具有较低的界面态密度和据说“高度竞争性”的亚阈值摆动。

合作的下一个目标之一是整合由熊本大学Yusui Nakamura小组设计的高速旋转式Mist-CVD系统。该工具已经在2英寸蓝宝石衬底上实现了高度均匀的ZnO薄膜。

另一个计划是基于最近的工作，发现了雾状的Al₂O₃ / AlGaN界面上的固定正电荷出乎意料的低。

“这意味着使用薄雾状的Al₂O₃更容易获得增强型设备，”Asubar说，他打算使用此功能来获得高性能，更安全的“常关”器件。

R. S. Low et al. Appl. Phys. Express 14 031004 (2021)