开创性N极性HEMT

AlN衬底上的N极性AlGaN基HEMT在RF性能和热管理方面表现出色

美国的一项合作声称已经在单晶AlN衬底上制造了第一个N极性GaN/AlGaN/AlN HEMT。

该团队是康奈尔大学、圣母大学和旭化成公司的合作伙伴，他们表示，这些晶体管有潜力利用AlN的热处理和功率处理能力，以及N极结构的优点，如强背势垒。

这些具有AlN缓冲层的HEMT的另一个优点是它们不需要深能级掺杂剂。相比之下，传统的GaN基HEMT需要深能级掺杂剂来补偿厚外延GaN缓冲层中的高非故意掺杂浓度，这是抑制缓冲漏电流和RF损耗所需要的。

该团队的最新突破承诺将AlN用于高功率、高频和极端环境应用，建立在其最近成功开发N极性衬底原位清洁技术的基础上，该技术导致在AlN衬底上的GaN/Al（Ga）N异质结构中发现了二维电子气。

在AlN衬底上生长的优点之一是，它确保外延层中的位错密度较低，通常为10⁴ - 10⁵ cm^-2，而在SiC、硅和蓝宝石等外来衬底上生长时位错密度为10⁹ - 10¹⁰ cm^-2 。更重要的是，天然衬底去除了高热边界，这在理论上被证明掩盖了更高热导率的好处，比如在SiC中发现的热导率。发言人Eungkyun Kim在评论他们选择的衬底是否适合批量生产时表示：“体AlN衬底已经证明了其作为光电子和功率/RF器件的一个有前途的平台的巨大潜力，我们相信随着生长技术的成熟，AlN衬底的成本和可用性将有所改善。”

该团队的新型HEMT的制造始于将100 mm厚的旭化成N-极性AlN衬底加载到等离子体辅助MBE反应器中，并沉积1µm厚的AlN缓冲层，然后是20 nm厚的Al_0.91Ga_0.09N杂质阻挡层、8 nm厚的沟道和6.4 nm厚的重掺杂GaN覆盖层，用于容易形成非合金欧姆接触。在通过热原子层沉积覆盖沉积10nm厚的Al₂O₃层来保护N极层之后，该团队通过光刻法定义了源极和漏极接触，并通过电子束光刻法添加了T形栅极。

电气测量显示，HEMT的接触电阻为0.66Ωmm。由于文献中有报道称其他N极HEMT的触点电阻仅为0.14Ωmm，该团队应该能够调整其器件的触点电阻。

当从长沟道HEMT移动到具有T型栅极的HEMT时，导通电阻从4.12Ωmm下降到1.56Ωmm，最大漏极电流从1.2 A/mm增加到2.6 A/mm，这些特征表明了良好的缩放行为。

与在SiC上生长500nm Al极性AlN层的器件相比，天然衬底上的变体通过缓冲区的漏电流降低了两个数量级。该团队将这种优势归因于外延层中较低的位错密度。

RF测量揭示了100GHz的最大振荡频率和68GHz的截止频率，这被高寄生源电阻和低跨导所抑制。

Kim承认，这些第一代器件需要解决许多电气问题。“目前需要解决的最重要领域是实现更高的跨导、更低的栅极泄漏和更大的击穿电压。一旦我们优化了HEMT的电性能，我们计划深入研究热性能，并表明通过消除生长界面的热边界电阻，可以在器件级解决加热问题。”

上图：完全处理的N-极性HEMT的扫描电子显微镜图像。

参考文献

E. Kim et al. Appl. Phys. Lett. 122 092104 (2023)

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