行业 | 西安电子科技大学与苏州实验室在AlN基超薄全应变GaN沟道HEMT器件制备领域取得重大进展

译自原文
Ultrathin fully strained GaN channel high electron mobility transistors on AlN-on-sapphire templates engineered by ferroelectric ScAlN epilayers

原文链接
https://doi.org/10.1063/5.0325273   Appl. Phys. Lett. 129, 053501 (2026)

原文作者
JiaJia Yao,¹ JunShuai Xue,¹ GuanLin Wu,¹ Cheng Zhao,¹ ZeHui Li,¹ JinYuan Yuan,¹ YuYing Zhang,¹ ChenKai Zhang,¹ HaoRan Hu,¹ XinPeng Wang,² Yi Tong,² JinCheng Zhang,¹and Yue Hao¹

¹ State Key Laboratory of Wide Bandgap Semiconductor Devices and Integrated Technology, School of Microelectronics, Xidian University

² Suzhou Laboratory

项目支持方
国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划颠覆性技术创新项目、苏州实验室研究基金、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

摘要

本工作采用等离子体辅助分子束外延技术，在蓝宝石上AlN模板上制备了具有超晶格势垒的全应变GaN沟道高电子迁移率晶体管（HEMTs），并在异质结构中引入铁电Sc₀.₁₈Al₀.₈₂N外延层以调控器件性能。与传统的厚AlN缓冲层不同，本工作在AlN模板与GaN沟道之间插入超薄Sc₀.₁₈Al₀.₈₂N层，有效抑制了二次外延层与AlN模板界面的泄漏电流，实现了厚度小于60 nm的全应变外延结构。此外，Sc₀.₁₈Al₀.₈₂N层作为超晶格势垒的组成部分，具有清晰的界面，产生了更强的极化效应和更大的导带偏移，从而获得了高达3.12×10¹³ cm⁻²的载流子面密度。经Sc₀.₁₈Al₀.₈₂N外延层调控的GaN HEMT展现出直流转移特性，其开关电流比约为10⁶，并呈现出明显的逆时针铁电滞回窗口，阈值电压可在−6.3 V至−2.7 V范围内广泛调谐。该器件采用180 nm T型栅、栅漏间距为1.5 μm，其击穿电压达80 V，截止频率为32 GHz，最大振荡频率为70 GHz。本工作通过将铁电栅调制与超晶格势垒协同集成，为在超宽禁带AlN平台上开发下一代多功能晶体管提供了新途径，为实现具有可调开关特性的高可靠性微波功率电子器件提供了极具前景的候选方案。

III族氮化物半导体已成为固态电子学的基石，并正在重塑全球能源转换与信息技术的格局。凭借其优异的材料特性，GaN基高电子迁移率晶体管（HEMTs）在固态射频功率放大器中不可或缺，推动了5G通信和雷达探测系统的发展，加速了信息社会的演进。目前，AlGaN/GaN异质结构作为此类应用的主流结构，依靠极化诱导的二维电子气（2DEG）实现高导电性。然而，当以高深宽比缩小栅长和势垒厚度以抑制短沟道效应时，AlGaN/GaN平台面临严峻挑战。这会导致栅极泄漏电流增大、2DEG密度降低，成为进一步提升输出功率和效率的瓶颈。因此，亟需探索新型材料结构与器件设计，以突破AlGaN势垒异质结构中的这些固有局限。

为解决上述问题，研究者们已广泛探索具有更强极化效应的替代势垒材料。在众多候选材料中，能够与GaN沟道实现晶格匹配的氮化铟铝和氮化钪铝（In_xAl_1−xN和Sc_xAl_1−xN，以下简称InAlN和ScAlN）因能提升2DEG密度而备受关注。然而，高质量InAlN或ScAlN势垒的外延生长常面临重大挑战，包括相分离和组分偏析，从而导致异质界面粗糙及电子迁移率下降。因此，理论上二元AlN被认为是最优势垒材料，因其具有III族氮化物中最宽的禁带和最强的自发极化。然而，AlN势垒与弛豫GaN沟道之间的晶格失配会引发巨大的拉伸应变，带来关键问题：当AlN厚度超过伪晶极限时，势垒中会出现高密度的穿透位错并伴随裂纹。因此，AlN/GaN异质结构中的2DEG密度远低于理论预测值。

为充分挖掘AlN势垒的潜力，在AlN平台上构建应变量子阱（QW）沟道GaN HEMT已被证明是最具前景的技术路径之一。该结构的核心特征是在厚AlN缓冲层与顶部AlN势垒之间夹入一层薄GaN沟道层。在此构型中，薄GaN沟道发生共格应变以匹配底部厚AlN缓冲层。这种压应变管理策略避免了拉伸应变AlN势垒中常见的开裂问题，使得AlN势垒厚度相比生长在弛豫GaN沟道上的结构得以增加，从而诱导出高密度2DEG。此外，AlN缓冲层凭借其超宽禁带和高电场耐受能力，可作为背势垒提供优异的载流子限制能力。最终，这种应变沟道GaN HEMT有效抑制了亚阈值泄漏和栅极泄漏电流，有助于实现具有超缩比栅长的高可靠性GaN HEMT。在先进外延工艺与新型结构设计方面已取得重大突破，其中康奈尔大学Jena课题组的贡献尤为突出。最近，基于单晶AlN衬底的全应变量子阱沟道GaN HEMT实现了10 GHz下4.2 W/mm的输出功率密度和41.5%的功率附加效率，标志着该结构取得了显著进展。

基于上述背景，我们提出并实现了一种由铁电ScAlN外延层调控的蓝宝石上AlN模板全应变沟道GaN HEMT，以拓展应变沟道GaN器件的性能边界。该器件采用超晶格势垒以增强极化效应，从而获得高达3.12×10¹³ cm⁻²的2DEG密度；同时，将高介电常数铁电ScAlN合金集成于势垒中以抑制栅极泄漏电流并引入铁电可调性。此外，我们在AlN模板与应变GaN沟道之间外延生长超薄ScAlN缓冲层，替代了传统的厚AlN缓冲层，获得了厚度小于60 nm的超薄体结构。基于该异质结构的HEMTs还可通过顶部铁电ScAlN层实现更灵活的性能调制，并能抑制沿AlN模板表面的寄生泄漏电流及栅极泄漏，因而实现了高开关电流比与高击穿电压。

本工作中，应变沟道GaN异质结构采用等离子体辅助分子束外延（PA-MBE）技术在蓝宝石上AlN模板上生长。PA-MBE系统配备常规双灯丝克努森 effusion 炉，分别用于蒸发Ga（纯度99.99999%）和Al（纯度99.99995%）金属源。与传统的电子束蒸发源相比，为确保束流稳定性，Sc（纯度99.999%）金属采用高温 effusion 炉供应。系统空闲时维持超高真空环境，本底压力为2×10⁻¹⁰ Torr。活性氮物种（N*）由射频等离子体源产生，该源以375 W功率裂解高纯氮气（99.9999%）。每次生长前，利用衬底 manipulator 下方的可伸缩束流监测器对金属束流进行精确校准。衬底正面朝下安装于旋转台内的钼托上以保证均匀生长，其温度通过位于衬底背面的非接触式热电偶实时监测。表面重构与生长动力学通过反射高能电子衍射（RHEED）原位实时监控，加速电压15 kV，灯丝电流1.42 A。模板背面溅射沉积800 nm Ti层以增强热吸附与温度均匀性。外延生长前，模板先在缓冲室中脱气，随后在生长室中通过10个循环的Ga沉积-脱附工艺进行原位清洗。

图1. (a) 全应变沟道GaN异质结构的示意图。(b) MBE生长的GaN异质结构的横截面HAADF-STEM图像。(c) O、Sc、Al和Ga元素的相应EDS面分布图。

如图1(a)所示，外延生长首先生长一层5 nm的Sc₀.₁₈Al₀.₈₂N缓冲层，以抑制源自模板表面吸附的Si/O杂质的寄生泄漏，随后生长40 nm的应变GaN沟道。接着，沿生长方向生长超晶格势垒，其结构为3 nm AlN / 1 nm GaN / 3 nm AlN / 2 nm GaN / 5 nm Sc₀.₁₈Al₀.₈₂N。所有层均在630 °C的恒定温度下沉积，N₂气体流量为1.2 sccm。GaN和AlN外延层均在略微富金属的生长条件下生长，Ga和Al的束等效压力（BEP）分别为8×10⁻⁸和5.0×10⁻⁸ Torr，以确保二维台阶流生长模式，同时避免金属液滴过度堆积。Sc₀.₁₈Al₀.₈₂N外延层则在富氮条件下生长，BEP为2.8×10⁻⁸ Torr，以促进Sc掺入并避免金属偏析相的形成。GaN和ScAlN层对应的III/V比分别为约1.2和0.8。在顶部ScAlN势垒外延生长前，对生长表面进行氮化处理，以抑制Ga液滴扩散进入顶部ScAlN外延层。

外延生长结束后，器件制备首先采用基于BCl₃/Cl₂的感应耦合等离子体刻蚀进行台面隔离。随后采用凹槽欧姆接触方案：在电子束蒸发沉积Ti/Al/Ni/Au（10/70/10/30 nm）金属叠层之前，先将台面刻蚀至下方的GaN沟道。接着在N₂气氛中对接触进行退火，温度为750 °C，时间为30 s。传输线法（TLM）测试得到的接触电阻（R_C）为0.74 Ω·mm，方块电阻（R_□）为1898 Ω/□。通过电子束光刻定义出栅长为180 nm的T型栅，随后沉积Pt/Au（30/320 nm）叠层。最后，采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在器件表面沉积SiN钝化层。所制备的HEMT器件的源漏间距为2.3 μm，栅漏间距为1.5 μm，总栅宽为2×50 μm。

图1通过扫描透射电子显微镜（STEM）展示了MBE生长的GaN异质结构的结构表征。如图1(b)所示，该外延堆叠在AlN模板与40 nm GaN沟道之间插入了5 nm ScAlN缓冲层，并在结构顶部生长了5 nm ScAlN，证实了铁电ScAlN外延层已成功集成到GaN异质结构中。超晶格势垒的横截面高角环形暗场STEM（HAADF-STEM）图像清晰表明，实际层厚与设计方案高度吻合。超晶格势垒中的异质界面陡峭、平滑且厚度均匀。值得注意的是，底部ScAlN在GaN沟道与AlN模板之间的应变管理中发挥着关键作用，且未产生新的界面位错，使得GaN沟道能够无缝继承底层AlN模板的晶体质量。图1(c)给出了通过能量色散X射线谱（EDS）面分布分析得到的元素分布，证实Sc原子在顶部势垒和底部缓冲层内均无互扩散现象。关键在于，底部ScAlN缓冲层边界清晰，能够有效阻止AlN模板表面吸附的氧杂质向GaN沟道扩散。

图2展示了分别通过X射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）表征的顶部ScAlN外延层的化学计量比与表面形貌。鉴于利用X射线衍射确定Sc组分存在难度和不确定性，本研究采用XPS来揭示顶部ScAlN外延层中的Sc组分。图2(a)给出了O 1s、Sc 2p_1/2、Sc 2p_3/2、N 1s和Al 2p的高分辨芯能级谱，其结合能分别位于529.69、403.43、398.8、394.9和71.9 eV。在ScAlN合金中，Sc 2p峰因轨道角动量发生自旋-轨道分裂，形成 distinct 的2p_1/2和2p_3/2组分。这些峰尖锐且对称，证实了化学键合均匀且不存在相分离。对于定量分析，Sc/(Sc+Al)比值由积分XPS峰面积结合标准元素灵敏度因子计算得出，并排除了表面外来氧的影响，以准确反映ScAlN的化学计量比。测得Sc的原子比约为18.2%，这与所设计的、要求与GaN近晶格匹配的Sc₀.₁₈Al₀.₈₂N目标化学计量比一致。值得注意的是，XPS谱中未检测到明显的Ga信号，进一步验证了在顶部ScAlN势垒生长前对GaN外延层进行表面氮化处理的有效性。如图2(b)所示，在5×5 μm²扫描面积上考察的表面形貌呈现无裂纹特征，均方根粗糙度为1.1 nm。此处，较大的表面粗糙度主要归因于超薄厚度。

为评估所生长GaN异质结构的应变状态，采用拉曼光谱探测残余面内应力。如图3(a)所示，位于662.5 cm⁻¹的峰归属于AlN模板的E₂(high)声子模式，表明与无应变AlN的657.4 cm⁻¹ E₂(high)声子模式相比，该AlN模板承受面内压应变。因此，该应变模板决定了上方外延层的应变状态。GaN沟道的E₂(high)声子峰出现在577 cm⁻¹，相对于体材料无应变GaN的567.5 cm⁻¹呈现明显的蓝移。该异质结构的共格应变状态由高分辨X射线倒易空间映射（RSM）最终确定。根据图3(b)和图3(c)分别给出的对称(002)和非对称(105)反射，GaN沟道倒易格点（RLPs）的强度极大值与AlN模板的极大值垂直对齐。这种对齐表明GaN沟道的面内晶格常数与AlN模板相同，证明40 nm GaN沟道在AlN模板上以外延伪晶方式生长，并保持在面内压应变状态。

图2. (a) 顶部ScAlN外延层的高分辨XPS谱。(b) 顶部ScAlN势垒在5×5 μm²扫描面积下的表面AFM图像。

图3. (a) MBE生长应变沟道GaN异质结构的拉曼光谱。(b) 生长态GaN异质结构在对称(002)反射附近的X射线RSM图。(c) 生长态GaN异质结构在非对称(105)反射附近的X射线RSM图。

为揭示GaN异质结构中的载流子分布，采用汞探针电容–电压（C–V）特性测试，频率为100 kHz。如图4(a)所示，电容从积累区到完全耗尽区呈现急剧转变，表明异质界面处存在强限制的2DEG特征。具体而言，在−15 V耗尽电压下的最小电容为14.4 pF，这证实了与AlN模板表面吸附的施主杂质相关的寄生泄漏路径具有较低的残余背景浓度和完全的隔离效果。此外，ScAlN外延层的铁电极化效应通过电容器的电学行为得到证实，其C–V曲线呈现出清晰的反时针滞回环。图4(b)给出了载流子浓度的对应深度分布，一个尖锐的峰值位于表面以下约14 nm处，与超晶格势垒厚度相匹配。提取的电容值与预期值一致。

图4(c)的插图中给出了在已制备HEMT的隔离台面上测得的缓冲层泄漏电流。尽管超薄体厚度不足60 nm，但对于台面隔离深度为30 nm、接触间距为2 μm的器件，缓冲层在高达100 V的偏压下仍呈现出极低的泄漏电流（10⁻¹⁰ A/mm），展现出优异的电学隔离性能。为理解这种优异隔离特性的来源，我们进行了二次离子质谱（SIMS）表征。图4(d)绘制了氧和硅浓度的深度分布。正如异质外延所预期的那样，高浓度的O和Si杂质积聚在AlN模板与ScAlN缓冲层的界面处。限制在ScAlN缓冲层内的O杂质充当具有高空穴激活能的深能级缺陷，在室温下保持未电离状态。同时，ScAlN缓冲层充当背势垒，隔离了与界面O杂质相关的寄生导电通路。

采用铟点接触的室温霍尔效应测量得到了3.12×10¹³ cm⁻²的2DEG面密度和133 cm²/(V·s)的电子迁移率。电子迁移率较低主要归因于ScAlN缓冲层上未优化的GaN沟道生长，以及2DEG所在处的界面粗糙度（IFR）散射。更高的电荷密度也被认为是导致迁移率降低的原因。为阐明限制电子迁移率的物理机制，我们进行了77~300 K的温度依赖霍尔测量，并定量理论计算了考虑不同散射机制下的电子迁移率。载流子密度几乎不随温度变化，表现出2DEG的特征行为。我们利用马西森定则提取了受极性光学声子（POL）、声学形变势（DP）、压电（PE）、位错（DIS）和界面粗糙度（IFR）散射限制的理论迁移率。如图5(d)所示，计算的总迁移率与实验数据吻合。值得注意的是，由于超薄GaN沟道的粗糙表面，IFR散射在整个温度范围内主导了电子迁移率。

最后，我们对全应变沟道GaN HEMT的直流与小信号性能进行了评估。图6(a)展示了一个栅长为180 nm器件的代表性输出特性。该器件表现出良好的夹断行为，在栅压（V_GS）为2 V、漏压（V_DS）为10 V时，最大漏极电流密度达到450 mA/mm。提取所得的导通电阻（R_ON）为13.4 Ω·mm，这主要归因于超薄沟道固有的界面粗糙度（IFR）散射导致的低电子迁移率。此外，在V_GS为−6.0 V、泄漏电流判据为1 mA/mm的条件下，关态击穿电压确定为80 V。此处，漏极泄漏电流（I_DS）与栅极泄漏电流（I_GS）紧密跟踪。这证实了关态泄漏由栅极泄漏电流主导，且寄生泄漏路径已被ScAlN缓冲层完全隔离。如图6(b)所示，将V_GS从−11 V扫至+2 V再回扫，在输出电流和跨导中观察到一个明显的逆时针滞回环。该滞回对应的阈值电压偏移为−6.3 V至−2.7 V，证实了顶部ScAlN势垒的铁电翻转能力。图6(c)的半对数转移曲线进一步展示了10⁶的开关电流比和较低的栅极泄漏，验证了前面讨论的有效缓冲层隔离。图6(d)重点展示了在V_DS=10 V、V_GS=−1.6 V下测得的小信号特性。电流增益（|H₂₁|²）、单向增益（G_U）以及最大稳定/可用增益随频率的变化关系被绘制于图中。通过以−20 dB/十倍频程的斜率外推，得到截止频率（f_T）为32 GHz，最大振荡频率（f_max）为70 GHz。在15 GHz附近观察到的单向增益峰值，归因于寄生电容与寄生电感相互作用引起的自谐振，这些寄生参数未能被去嵌入过程完全消除⁵⁰。这些具有竞争力的射频指标，结合铁电功能，使全应变GaN异质结构成为多功能可重构射频电子器件的有力候选。

图4. (a) 100 kHz下测得的C–V特性曲线；(b) 外延GaN异质结构载流子浓度的对应深度分布。(c) 隔离台面器件之间的缓冲层泄漏电流。(d) 氧和硅浓度的SIMS深度分布。

图5. 77~300 K范围内通过范德堡霍尔效应测量的GaN异质结构的温度依赖特性：(a) 2DEG密度；(b) 方块电阻；(c) 电子迁移率。(d) 实验测量与理论计算的电子迁移率对比，其中理论计算考虑了不同散射机制的贡献。

图6. (a) 栅长为180 nm的制备态HEMT的输出特性。(b) 线性转移特性与 (c) 半对数转移特性。(d) 小信号特性。

总之，我们采用PA-MBE技术，成功在蓝宝石基AlN模板上实现了由铁电ScAlN外延层调控的全应变量子阱沟道GaN HEMT。引入的底部ScAlN缓冲层充当了强健的杂质阻挡层，在抑制缓冲层泄漏并实现电学隔离的同时，为GaN沟道的伪晶生长维持了近乎晶格匹配的条件。与此同时，引入的顶部铁电ScAlN势垒实现了3.12×10¹³ cm⁻²的高2DEG密度，并展现出显著的铁电翻转能力，其阈值电压窗口可调范围达3.6 V。此外，所制备的栅长为180 nm T型栅GaN HEMT器件表现出10⁶的开关比以及极具竞争力的射频性能，截止频率（f_T）达32 GHz，最大振荡频率（f_max）达70 GHz。这些结果表明，通过铁电ScAlN外延层工程化设计的全应变量子阱沟道GaN异质结构极具应用前景，可作为下一代多功能器件的候选方案，实现高微波功率处理与非易失性存储逻辑的单片集成。