译自原文
Low Thermal Resistance Architectures for AlGaN-Based Semiconductor Devices
原文链接
https://doi.org/10.1002/aelm.70524
Advanced Electronic Materials, 2026; 12:e70524
原文作者
Kidus Guye1 Davide Orlandini2 Seungheon Shin2 Andy Allerman3 Damena Agonafer1 Siddharth Rajan2 Samuel Graham1
1 Department of Mechanical Engineering, University of Maryland,
2 Department of Electrical and Computer Engineering, The Ohio State University,
3 Sandia National Laboratories, Albuquerque.
项目支持方
美国陆军研究办公室（ARO)
摘要
下一代高功率射频（RF）器件日益需要能够在高频下高效、高增益工作的晶体管。高铝组分的超宽禁带（UWBG）AlGaN 合金已在实现此类高频射频技术方面展现出巨大潜力。然而，AlGaN 基射频器件的广泛应用受到热管理难题的制约，其根源在于 AlGaN 本征热导率偏低，使得在相同几何结构下，其器件热阻高于 GaN 射频器件。因此，这类下一代器件极易发生自热效应。本研究考察了 UWBG AlGaN 器件的热行为，重点关注 AlGaN 沟道厚度、衬底技术以及高导热（高-k）材料集成对降低器件热阻、从而实现高功率工作的影响。实验结果表明，当采用 AlN 衬底并将 AlGaN 沟道厚度减薄至 5 nm 时，器件获得了创纪录的低热阻—3.96 mm·K/W。这些发现为通过器件级工程设计与高-k 材料的策略性集成来缓解 UWBG 器件中的热学瓶颈，提供了宝贵的启示。
引言
超宽禁带（UWBG）半导体器件已成为满足下一代高功率、高频电子器件日益增长性能需求的有力候选者。在众多新兴材料中，富铝 AlGaN 合金在下一代射频（RF）晶体管方面展现出强劲潜力，可提供卓越的高频与高压能力。这一性能优势源自其超宽禁带（>5 eV），它使器件能够承受更高的击穿电场并维持较高的电子饱和漂移速度，由此得到的约翰逊优值（JFOM）超越了 GaN 基器件（例如，Al0.85Ga0.15N 的硅归一化 JFOM 为 81，而 GaN 为 30）。然而，这些电学优势却被其欠佳的热学性能所抵消。对于铝组分介于 0.2 到 0.8 之间的 AlGaN，其热导率最高可比 GaN（kGaN = 180 W/(m·K)）低 21 倍，这限制了散热能力并导致严重的自热，最终影响器件性能与可靠性。
对于高功率半导体器件而言，热管理始终是一项关键的设计挑战。先前的研究表明，通过优化层结构、选择衬底以及改善界面质量，器件级工程能够降低热阻抗。对于 GaN 基宽禁带（WBG）器件，已通过缓冲层与衬底工程降低沟道温度而取得了显著进展。Aller 等人报道了纳米晶金刚石/AlGaN 界面处创纪录的低热边界电阻(TBR),为 3.4 m2·K/(GW)，证明了金刚石作为散热层的有效性。Tsurumi 等人发现，在 AlGaN/GaN HFET 中用 AlN 替代传统的 SiN 钝化层，可显著增强横向散热。Hirama 等人采用单晶金刚石衬底的 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMT），获得了低至 4.1 K·mm/W 的热阻，凸显了高导热衬底的优势。Alam 等人证明，在 Al0.26Ga0.74N/GaN HEMT 中引入厚 AlN 散热层，可使热阻相比无散热层的器件降低一半以上。同样地，另一些数值研究表明，双面金刚石冷却可大幅降低 β-Ga2O3 器件的沟道温度。类似地，与使用 AlN/蓝宝石结构的器件相比，采用单晶 AlN 衬底的 AlGaN 沟道器件，其热阻被报道降低了 3 倍。尽管取得了这些进展，AlGaN 器件的热阻仍然相对偏高，且鲜有研究直接针对这类低导热、高功率 UWBG 材料本征的热学局限。为使 AlGaN 合金能够应用于下一代射频领域，必须开发行之有效的热管理策略。
在本研究中，我们证明沟道与衬底工程对于提供热学解决方案、从而缓解 AlGaN UWBG 器件中的热挑战具有重要意义。我们对不同沟道厚度的器件架构进行了比较，以评估沟道缩放对热阻与电学行为的影响。为进一步评估衬底材料的影响，我们在蓝宝石与 AlN 两种衬底上制备了结构完全相同的器件。我们开展了数值模拟与实验测量，以分析在稳态与瞬态工作条件下沟道与衬底设计的影响。采用 AlN 衬底、且具备超薄（5 nm）沟道的器件，展现出创纪录的低热阻——3.96 K·mm/W，在散热能力上实现了显著提升。
图 1 AlGaN HEMT 器件的截面示意图：(a) 在 AlN（AlGaN-500-on-AlN）与蓝宝石（AlGaN-500-on-sapphire）衬底上制备的 500 nm 沟道厚沟道器件，并给出跨各层的简化热阻网络，其中 R1 为跨衬底的热阻，R2 为跨缓冲层的组合热阻，R3 为跨沟道的热阻，R4 为跨势垒层的热阻；(b) 在 AlN（AlGaN-5-on-AlN）与蓝宝石（AlGaN-5-on-sapphire）衬底上制备的 5 nm 沟道薄沟道器件。(c) 用于热表征的栅电阻测温（GRT）设计示意图。(d) 数值模型设置，(I) 带有全部边界条件的数值设置示意图，(II) 数值设置中源极、漏极与栅极的俯视图，(III) 搭载 100 倍物镜的 SanjSCOPE EZ500 实验装置照片。
器件描述
我们在蓝宝石与 AlN 两种衬底上各制备了四只双指 AlGaN 异质结场效应晶体管（HFET），其 AlGaN 沟道厚度分别为 5 nm（AlGaN-5-on-sapphire 与 AlGaN-5-on-AlN）与 500 nm（AlGaN-500-on-sapphire 与 AlGaN-500-on-AlN）。所制备的 500 nm 沟道厚度与 5 nm 沟道厚度 AlGaN HFET 的示意结构分别如图 1a 与图 1b 所示，图中同时给出了跨各层的简化热阻网络。两种外延结构均在 TNSC-4000HT 金属有机化学气相沉积（MOCVD）反应腔中，分别在蓝宝石与 AlN 衬底上外延生长而成。第一种外延结构自下而上依次为：厚 AlN 缓冲层、500 nm 的 Al0.68Ga0.32N 沟道层、43 nm 的 Al0.82Ga0.18N 分掺杂势垒层，以及 60 nm 的反向渐变接触层，其铝组分由 Al0.83Ga0.17N 渐变至 Al0.14Ga0.86N。分掺杂势垒层的具体功能与机制见文献。第二种外延结构包含相同的外延层（反向渐变接触层、分掺杂势垒层与缓冲层），但其沟道层为 5 nm 的超薄非故意掺杂（UID）Al0.68Ga0.32N 沟道层。在两种外延片上均执行了四个主要工艺步骤，以获得如图 1a 与图 1b 所示的 HFET 器件：（1）接触层刻蚀（目标刻蚀深度 73 nm）；（2）台面隔离刻蚀（目标刻蚀深度 200 nm）；（3）源/漏金属沉积（Ti/Al/Ni/Au = 20/120/30/100 nm）；（4）栅金属与栅电阻测温（GRT）结构沉积（Ni/Au = 30/100 nm）。图 2 给出了 AlN 衬底器件的实测输出特性。
图 2 所制备 HFET 器件的输出特性：(a) AlN 衬底上 500 nm AlGaN 沟道（AlGaN-500-on-AlN）；(b) AlN 衬底上 5 nm AlGaN 沟道（AlGaN-5-on-AlN）。对于每只器件，漏极电流 ID 均在栅源电压 VGS 为 0、-3 与 -5 V 的条件下，通过扫描漏源电压 VDS（0 至 10 V）测得。
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