译自原文
XHEMTs on Ultrawide Bandgap Single-Crystal AlN Substrates
原文作者
Eungkyun Kim，Department of Electrical and Computer Engineering, Cornell University；
Yu-Hsin Chen ，Naomi Pieczulewski ，Department of Materials Science and Engineering, Cornell University；
Jimy Encomendero ，Department of Electrical and Computer Engineering, Cornell University；
David Anthony Muller ，School of Applied and Engineering Physics, Cornell University；
Debdeep Jena，Huili Grace Xing，Department of Electrical and Computer Engineering.
原文链接
https://arxiv.org/abs/2506.16670v1 [Submitted on 20 Jun 2025]
项目支持方
美国陆军研究办公室（ARO）、美国国防高级研究计划局（DARPA）、日本旭化成公司（Asahi-Kasei Corporation）和美国国家科学基金会材料研究科学与工程中心（MRSEC）
氮化铝（AlN）在纤锌矿型III族氮化物半导体体系中具有最大带隙，这一特性使其成为构建场效应晶体管中薄GaN沟道强载流子限制的理想势垒材料，其作用机制类似于绝缘体上硅（SOI）技术。相较于SiO₂/Si/SiO₂结构，AlN/GaN/AlN异质结构可实现完全外延生长，从而获得适用于高频应用的高载流子迁移率。然而，应变调控、极化效应、缺陷控制及电荷俘获等问题，始终制约着此类异质结构及相关器件的性能优化。本研究提出了一种新型氮化物晶体管技术——AlN单晶高电子迁移率晶体管（XHEMT），旨在系统性解决上述瓶颈。该XHEMT结构采用赝晶GaN沟道，夹于双层AlN之间，生长于AlN单晶衬底之上。首代XHEMT器件展现出与当前最先进GaN HEMT相当的射频性能：在10 GHz工作频率、17 V漏极偏压条件下，实现5.92 W/mm的输出功率及65%的峰值功率附加效率。相较于传统GaN HEMT（生长于晶格失配的外来衬底，易引入位错缺陷并加剧热阻），本器件突破了多项性能限制。随着100 mm AlN衬底的规模化量产及AlN材料340 W/m·K的高热导率特性，XHEMT技术在下一代射频电子器件领域展现出巨大的应用潜力。
引言
新型晶体材料的创制往往能开辟全新研究领域，并为既有技术体系带来革新动力。近期，直径达100 mm的超宽带隙半导体氮化铝（AlN）高质量单晶衬底的成功制备，正推动紫外光子学迈入全新发展阶段——首次实现了电注入连续波深紫外半导体二极管激光器。AlN材料展现出直接带隙>6 eV、室温本征电阻率ρ300K≈10¹⁴ Ω·cm、以及室温热导率κ300K≈340 W/m·K等卓越特性[见图1(a)]，这些性能参数共同构成了下一代高速微波电子器件用超宽禁带半导体衬底的理想特性集。若能在该材料体系中构建栅压高效调控的高电导沟道，其应用潜力将得以充分释放。除上述物理特性外，AlN晶体还具有纤锌矿型晶格结构，沿c轴方向呈现破缺的反演对称性。这一独特对称性破缺可诱导产生强自发极化与压电极化效应——该特性在金刚石、β-Ga₂O₃等其他超宽禁带半导体中尚未被观测到。基于极化效应的精准调控，在生长于AlN单晶衬底（其位错密度较传统模板如硅基或碳化硅基AlN低约4个数量级）的AlN/GaN未掺杂量子阱（QW）异质结界面处，已成功构筑出高迁移率二维电子气（2DEG）与二维空穴气（2DHG）。
图1：氮化物高电子迁移率晶体管（HEMT）的三大衬底技术对比。（a）蜘蛛图对比展示了GaN HEMT所用衬底及器件外延层的关键材料特性。AlN/GaN/AlN XHEMT平台充分利用了AlN兼具超宽带隙与高热导率的独特优势。更重要的是，AlN单晶衬底上外延生长的超薄赝晶GaN沟道可将位错密度降至极低水平（由衬底决定，约10⁴ cm⁻²），并实现近乎为零的热边界电阻。（b）光学显微图像与（c）方块电阻分布图展示了生长于3英寸AlN单晶衬底上的AlN/GaN/AlN XHEMT器件。（d）商用硅基GaN HEMT与（e）碳化硅基GaN HEMT的典型层状结构示意图——前者以成本效益为导向，后者追求高性能表现。二者均受限于缓冲层电子俘获效应、高位错密度（约10⁹ cm⁻²）以及异质外延导致的高热边界电阻（TBR），且需生长更厚的缓冲层进行补偿。由于硅衬底存在更低的热导率、更大的晶格失配与声子失配，上述问题在硅基器件中表现更为显著。（f）AlN XHEMT结构通过三大技术创新突破现存瓶颈：生长界面实现零晶格失配与零声子失配、超薄沟道提供强电子限制效应、以及AlN材料本身兼具的高热导率与高电阻率特性。
新兴的大尺寸AlN单晶衬底平台能否推动氮化物电子器件领域的革新？本研究创新性地提出了一种名为XHEMT（AlN单晶高电子迁移率晶体管，Xtal - High Electron Mobility Transistor）的新型器件结构。该结构充分发掘高质量AlN单晶衬底的独特性能优势，为攻克当前氮化物晶体管领域面临的技术难题开辟了全新途径。我们系统地剖析了XHEMT在近期亟待解决的关键科学问题，并通过严谨的实验验证：XHEMT在X波段（8 - 12 GHz）能够实现高达6 W/mm的输出功率以及65%的功率附加效率，展现出卓越的大电流驱动性能，由此确立了其作为新一代氮化物晶体管技术的坚实地位。与传统AlGaN/GaN HEMT相比，全新的XHEMT架构开创了众多前所未有的技术可能，为氮化物电子器件领域开辟了令人振奋的发展前景。
图1(b)呈现了一片直径为75 mm的Al极性AlN单晶衬底晶圆。我们在此高质量衬底上实施AlN同质外延生长，并引入20 nm应变匹配的GaN量子阱（QW），通过极化失配效应成功构建出高导电性的二维电子气（2DEG）沟道。该2DEG沟道表现出约250 Ω/□的方块电阻特性，其面内不均匀性分布如图1(c)所示。基于该外延晶圆，我们进一步制备出高性能XHEMT器件。在详细阐述器件制备工艺之前，有必要系统解析导电2DEG的形成机理及其与传统AlGaN/GaN异质结的结构差异。图1(d)展示了面向电力电子领域开发的硅基AlGaN/GaN HEMT横截面结构，而图1(e)则呈现了应用于射频功率放大器的碳化硅基AlGaN/GaN HEMT结构。尽管硅基HEMT具备显著的成本优势，但其器件性能优化需依赖多重技术路径：首先通过生长厚GaN外延层，利用位错湮灭效应有效降低缺陷密度以提升晶体质量，同时将带隙较窄的硅衬底隔离于高电场区域之外。由于GaN与硅之间存在约17%的显著晶格失配，导致晶圆产生翘曲、开裂及缺陷增殖等问题，这促使研究者在过去十年间相继开发出多层缓冲层结构及缺陷抑制方案。值得注意的是，厚GaN缓冲层中刻意掺入的浅施主杂质虽能调控材料特性，但会不可避免地引入非故意n型导电载流子，需通过Fe或C深能级掺杂进行补偿以抑制漏电流。然而，成核层/硅界面处的高缺陷密度与显著的热边界电阻（TBR）严重制约了器件的散热性能。虽然图1未展示蓝宝石衬底方案，但该低成本衬底同样面临严峻挑战——其与GaN约14%的晶格失配度及远低于硅的热导率特性，导致器件性能难以突破。
由于GaN与SiC之间存在3.4%的低晶格失配度，加之SiC材料兼具高热导率和较硅更宽的带隙特性，在SiC衬底上制备的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）可实现外延层厚度减薄与散热性能的显著提升。然而，即使在当前广泛应用于高功率微波功率放大器领域性能最优的SiC基GaN HEMT器件中，其位错密度仍维持在约10⁹/cm²量级，仅能有限度地改善晶圆翘曲问题。值得关注的是，氮化物/ SiC异质结界面处的热边界电阻问题，仍是限制器件性能进一步提升的关键科学瓶颈。
图1(f)呈现了在AlN单晶衬底上构建的XHEMT器件层状结构。与硅或碳化硅衬底上的外延生长工艺相比，直接在AlN衬底进行AlN同质外延生长具备三方面显著优势：其一，基于共格外延机制有效抑制位错缺陷的产生；其二，彻底消除衬底界面处的热边界电阻效应；其三，得益于未掺杂AlN材料本身具备的超高电阻率与低射频损耗特性，无需引入深能级补偿掺杂剂进行电学调控。相较于硅或碳化硅衬底体系，该结构下的器件外延层厚度可缩减至原有尺度的1/2至1/10。
采用AlN单晶衬底不仅决定性地影响晶体管器件的结晶完整性、电输运特性及热力学行为，更对异质结构中的载流子分布产生根本性调控作用。正如Al(Ga)N/GaN异质界面处极化不连续性可诱导形成高性能二维电子气（2DEG），我们前期研究已证实：当异质结界面转变为AlN/GaN体系时，极化电荷符号的反转将导致二维空穴气（2DHG）的形成。这与图1(d)和1(e)所示的传统HEMT器件结构存在本质差异——在AlN基XHEMT器件的薄层GaN沟道中，2DEG与2DHG将形成独特的共存体系。本工作揭示：位于电子沟道下方约18 nm处的2DHG会在射频工作条件下诱发显著的载流子俘获效应，导致器件输出功率与功率附加效率出现严重衰减。突破性研究发现，通过在沟道层引入硅施主掺杂平面，不仅能有效中和2DHG的不利影响，还可同步实现2DEG迁移率的显著提升。
实验结果与讨论
2.1 异质结设计与电输运特性
本研究通过对比硅δ掺杂与非掺杂AlN基XHEMT器件（下文分别简称为AlN XHEMT与未掺杂QW HEMT），系统揭示了其层状结构特征、平衡能带构型、载流子分布规律及电容-电压特性（图2）。其中，图2(a)详细展示了未掺杂QW HEMT的外延异质结构：该结构自下而上依次包含500 nm同质外延AlN缓冲层（生长于Crystal IS公司提供的金属极性AlN单晶衬底）、20 nm应变协调GaN沟道层，以及6 nm AlN顶层势垒（顶部覆盖1 nm GaN盖层）。基于器件模拟计算，图2(b)与图2(c)分别呈现了平衡能带结构与载流子浓度空间分布。研究结果表明，在顶部AlN/GaN界面处极化诱导形成二维电子气（2DEG）的同时，底部GaN/AlN界面处的净负极化束缚电荷将诱导产生高密度正电荷区（面电荷密度ρₛ∼3.9×10¹³ cm⁻²），该区域受GaN与AlN间价带偏移的量子限制效应调控。通过原位肖特基二极管的电容-电压（C-V）测试（图2(d)），我们首次在实验上证实了GaN/AlN界面处正电荷的存在：在2DEG耗尽区之后出现的第二电容平台（对应红色电容符号），明确表征了靠近底部GaN/AlN界面的可移动面电荷特征。该平台电容值为0.34 μF/cm²，结合器件模拟结果可推知正电荷分布于表面以下约26 nm深度处。这一实验现象与极化诱导二维空穴气（2DHG）的物理特征高度吻合——该发现与我们前期在AlN单晶衬底上生长GaN沟道层后终止生长的未掺杂GaN/AlN异质结构中观测到的高密度2DHG现象形成直接印证。值得注意的是，迄今关于2DHG对未掺杂QW HEMT电学输运特性影响的研究尚未见系统报道。为深入解析GaN/AlN界面未补偿正电荷的作用机制，我们设计了对比生长实验：在底部GaN/AlN界面1 nm上方引入硅δ掺杂层（施主密度5×10¹³ cm⁻²），其余生长参数与前述器件严格保持一致（图2(e)）。理论分析表明，在AlN XHEMT结构中，硅施主提供的额外电子可有效补偿界面正电荷，使价带顶远离费米能级。这种电荷补偿效应不仅显著削弱了GaN/AlN界面的极化作用，还有效降低了GaN量子阱内的垂直电场强度，进而促使电子波函数质心向势阱内部移动，减小界面散射效应。
图2系统对比了AlN单晶衬底上未掺杂QW HEMT（图2(a)-(d)，top）与AlN基XHEMT（图2(e)-(h)，bottom）的结构特征及电学行为。两类器件均基于AlN单晶衬底外延生长AlN/GaN/AlN异质结构，其本质差异在于AlN XHEMT通过精确引入硅δ掺杂层构建单电子沟道（其余结构参数完全等同）。图2(b)与图2(f)分别展示了两种器件的模拟能带构型。针对金属极性AlN单晶衬底体系，硅施主掺杂实现了对底部GaN/AlN界面净负极化电荷的有效补偿，促使GaN沟道内费米能级从价带顶向AlN背势垒中带隙区域发生显著偏移。该能带工程策略成功实现了对2DEG在GaN量子阱中垂直电场强度的显著调控。载流子浓度分布模拟结果（图2(c)与图2(g)）表明：AlN XHEMT中的硅δ掺杂层不仅完全抑制了底部GaN/AlN界面处二维空穴气（2DHG）的形成，更通过调制掺杂效应使沟道内2DEG面密度获得显著提升。电容-电压特性测试结果（图2(d)与图2(h)）为上述理论预测提供了直接实验证据：未掺杂QW HEMT器件呈现特征性双电容平台（分别对应红色与蓝色电容符号），分别表征2DEG与2DHG的电荷存储特性；而AlN XHEMT器件仅观测到单一电容平台，这一特征性差异明确证实了其单电子沟道的本征工作模式。
电子波函数的重排显著抑制了界面粗糙度散射效应，从而实现了电子迁移率的显著提升。通过硅δ掺杂补偿后，残余电子向量子阱（QW）远端迁移并被有效局域化，基于调制掺杂效应进一步提高了二维电子气（2DEG）的面密度。因此，硅δ掺杂技术可同步实现电子迁移率与2DEG面密度的协同增强。如图2(f)和图2(g)所揭示的模拟能带结构及载流子分布特征表明：该补偿机制不仅有效抑制了正电荷积累，同时显著降低了GaN量子阱内的平均垂直电场强度。定量分析表明，基于载流子密度加权平均电场强度计算公式
（其中n(z)表示局域电子密度，F(z)代表垂直于样品表面的局域电场分量），AlN XHEMT中GaN量子阱的载流子密度加权平均电场强度仅为2.84 MV/cm，较未掺杂QW HEMT的3.80 MV/cm降低达25.3%。图2(h)所示的AlN XHEMT电容-电压（C-V）特性曲线为上述理论预测提供了确凿的实验证据：该器件表现出与理想单电子沟道GaN HEMT完全一致的电容响应特征——在阈值电压处呈现陡峭的电容下降（对应2DEG耗尽过程），且未观测到任何额外的电容平台，这一特征性差异从实验角度确证了2DHG的有效消除。
室温霍尔测试结果表明：未掺杂QW HEMT的二维电子气（2DEG）面密度达1.80×10¹³ cm⁻²，电子迁移率为717 cm²/V·s，对应方阻值为485 Ω/□；相比之下，硅δ掺杂的AlN基XHEMT器件展现出显著优化的电学特性——其2DEG面密度提升至3.16×10¹³ cm⁻²，电子迁移率维持在644 cm²/V·s，方阻值则降低至307 Ω/□。硅δ掺杂诱导的2DEG面密度增强效应使AlN XHEMT器件的方阻值较未掺杂器件降低约36.8%。通过图2(h)所示电容-电压（C-V）曲线提取的AlN XHEMT零栅压2DEG面密度为2.78×10¹³ cm⁻²，该数值较霍尔测试结果略低，主要源于金属栅极耗尽效应及氮化硅刻蚀过程中引发的表面氟化现象。特别值得注意的是，采用优化生长工艺制备的新型AlN XHEMT样品（尚未完成器件集成）测试数据显示：其2DEG面密度进一步攀升至3.21×10¹³ cm⁻²，电子迁移率提升至855 cm²/V·s，对应方阻值低至227 Ω/□。与未掺杂QW HEMT相比，方阻值实现高达53.1%的降幅[6]。
2.2 AlN基XHEMT器件设计、直流特性与小信号射频性能
图3(a)呈现了完全制备态AlN基XHEMT器件的结构示意图。源极与漏极欧姆接触区通过重掺杂硅的n+GaN层再生长工艺构建，继而采用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀技术向AlN缓冲层定向刻蚀约10 nm，以实现二维电子气（2DEG）侧壁的暴露。器件表面采用低压化学气相沉积（LPCVD）工艺制备的近化学计量比氮化硅（SiNx）钝化层（厚度106 nm）进行封装保护。肖特基栅极接触采用镍/金（Ni/Au）金属叠层制备，并创新性地引入源极连接场板（SCFP）结构——该场板与栅极金属间通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术沉积的118 nm厚氮化硅隔离层实现电学隔离。图3(b)展示了完全制备态AlN基XHEMT器件在70°倾斜视角下的扫描电子显微镜（SEM）表征图像。需要特别指出的是，未掺杂QW HEMT器件采用完全一致的工艺流程制备，具体工艺参数详见实验部分。
高分辨率横截面扫描透射电子显微镜（STEM）图像（图3(c)）精确表征了器件的横截面结构参数：栅极长度（LG）为0.45 μm，源漏间距（LSD）为4.5 μm，栅漏间距（LGD）为3.05 μm。如图3(a)器件结构示意图所示，源极连接场板（SCFP）通过宽度为5 μm的桥接结构与源极焊盘实现电学连接，该桥接结构覆盖器件有效宽度（WG）100 μm范围内的接触区域，旨在显著降低寄生栅源电容。横截面表征区域选取于该桥接结构所在平面。图3(d)与图3(f)分别呈现了通过n++GaN层再生长工艺制备的源极与漏极欧姆接触。为确保接触界面达到原子级紧密接触，ICP刻蚀工艺参数经优化调控，实现2DEG侧壁以50°倾角（相对于外延生长界面）精准暴露，同时控制再生长n++GaN层向接触区域延伸80 nm。图3(e)展示的T型栅极下方原子分辨率STEM图像证实：20 nm厚GaN沟道在AlN单晶衬底上保持共格外延生长特性，界面处呈现原子级陡峭的界面特征。为更清晰地呈现原子尺度结构细节，补充材料图S1提供了该STEM图像的高倍率放大版本。
图3：AlN基XHEMT器件图3(a)展示AlN基XHEMT的三维结构示意图，图3(b)为完全制备器件的SEM形貌像。图3(c)为器件横截面STEM图像，清晰呈现再生长源漏接触区、T型栅极结构及源极连接场板（SCFP）。该横截面成像平面穿过连接场板与源极焊盘的桥接结构。（d-f）局域结构表征，图3(d)为源区再生长GaN/2DEG界面的高分辨STEM图像；图3(e)为原子分辨率高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，揭示栅极下方共格外延GaN沟道与陡峭异质结界面；图3(f)为漏区再生长GaN/2DEG界面的高分辨STEM图像。需特别指出：在弛豫再生长n+GaN层中广泛观测到穿透位错，而在AlN XHEMT的赝晶应变GaN沟道中未发现位错存在。（g）线性传输线模型（TLM）分析，图3(g)线性TLM测试结果显示：欧姆金属与2DEG间接触电阻Rc=0.34 Ω·mm，2DEG方阻Rsh=267 Ω/□。（h-i）电学输运特性，图3(h)为栅源电压VGS从-6 V至2 V（步进1 V）的I-V特性曲线族；图3(i)展示漏源电压VDS=10 V时，漏极电流（蓝线）与跨导（黑线）随栅源电压的变化关系。（j）小信号射频性能,图3(j)半对数坐标下小信号增益曲线显示：电流增益（红线）,单向增益（蓝线）,最大稳定增益与最大可用增益（绿线）,当器件偏置于VGSq=-2.8 V、VDSq=10 V时，测得截止频率fT/ fmax=21/40 GHz。需说明：测试结果未扣除探针垫引入的寄生延迟。器件关键尺寸参数：栅极长度LG=0.45 μm，源漏间距LSD=4.5 μm，栅漏间距LGD=3.05 μm，栅WG=2×100 μm。
器件制备完成后，通过线性传输线法（TLM）提取接触电阻（Rc）与薄层电阻（Rsh），测试结果如图3(g)所示。基于样品的多组TLM测试数据，获得平均接触电阻Rc为0.39±0.04 Ω·mm，薄层电阻Rsh为276±9.5 Ω/□。值得注意的是，该Rsh提取值与器件制备完成后晶圆级范德堡图形霍尔测试所得Rsh值283 Ω/□具有高度一致性。相较于器件制备前原始样品的测试数据，Rsh的降低现象可归因于表面采用低压化学气相沉积（LPCVD）氮化硅（SiNx）钝化工艺后，二维电子气（2DEG）面密度提升所导致的电学特性优化。
图3(h)展示了与图3(c)器件具有相同标称尺寸的AlN基XHEMT输出特性曲线。室温测试条件下，该器件在栅极电压VGS=2 V时，最大漏极电流密度JDS,max突破2 A/mm。这一优异的电流驱动能力源于AlN势垒层与硅δ掺杂结构协同作用形成的高二维电子气（2DEG）面密度，其性能提升无需依赖激进的器件横向微缩工艺。图3(i)呈现了器件转移特性曲线：在漏极电压VDS=10 V固定偏置下，提取的阈值电压Vth=-4.2 V，峰值跨导gm,ext超过0.4 S/mm。图3(j)系统表征了器件在VGS=-2.8 V、VDS=10 V偏置条件下的小信号性能参数，包括单向增益U、电流增益|h21|²、最大稳定增益MSG及最大可用增益MAG，所有参数均通过实测S参数提取获得。需特别指出，本测试结果包含探针垫引入的寄生延迟效应，未进行去嵌入处理。基于|h21|²与U参数提取的截止频率fT=21 GHz、最大振荡频率fmax=40 GHz，二者均呈现典型的-20 dB/dec频率衰减特性。为便于对比分析，补充材料图S2汇总了相同尺寸未掺杂QW HEMT的直流与小信号特性参数。
2.3 AlN基XHEMT器件的大信号射频特性
在氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMT）体系中，即便器件已展现出优异的直流与小信号射频性能，仍可能因严重的电荷俘获效应导致射频输出功率受限——该效应会引发器件在射频工作状态下发生电流崩塌现象。因此，针对新型HEMT异质结构中电荷俘获效应的作用机制与影响程度，需开展系统性的评估研究。电荷俘获效应的快速表征方法聚焦于晶体管关断态至导通态转换过程中沟道电流的恢复特性：若器件内部存在电荷俘获缺陷，其漏极电流将无法在短于电荷去俘获时间的时间尺度内实现完全恢复。更为严谨的测试方案是通过动态测量晶体管射频增益随输入功率的变化曲线，从而完整表征器件在整个可用I-V特性空间内的射频信号放大性能——理论上，当电荷俘获效应趋近于零时，器件的射频性能应与其直流I-V特性预测结果呈现高度一致性。
为深入探究电荷俘获效应的作用机制，本研究采用脉宽500纳秒、周期1毫秒的脉冲I-V测试技术（ID-VDS），系统对比分析了未掺杂QW HEMT与AlN基XHEMT器件在大信号工作条件下的动态电学特性。如图4(a)所示，在应力偏置条件VGSq=-5 V、VDSq=20 V（参照基准：冷偏置条件VGSq=0 V、VDSq=0 V）下，未掺杂QW HEMT器件呈现显著的电流崩塌效应，其幅度超过30%。与之形成鲜明对比的是，基于硅δ掺杂技术的AlN基XHEMT器件展现出优异的电荷俘获抑制特性——在相同应力偏置条件下（VGSq=-5 V、VDSq=20 V），其电流崩塌幅度降至可忽略水平，具体测试结果如图4(d)所示。
在多组独立生长与工艺处理的未掺杂QW HEMT器件中（涵盖不同尺寸参数），均观测到显著的大电流崩塌现象。如图4(b)模拟关态能带图所示，该现象可部分归因于热电子被捕获于二维电子气（2DEG）沟道下方约20 nm处的底部GaN/AlN界面价带空态。当晶体管在栅极信号正半周期由关态转换至开态时，这些被捕获的电子无法即时返回初始能态，从而导致2DEG部分耗尽。针对AlN基XHEMT器件，硅δ掺杂技术通过调控费米能级使其更接近禁带中央，有效填充价带空态。如图4(e)所示的AlN XHEMT关态能带图，该机制使电子捕获过程受到泡利不相容原理抑制，从根本上阻断了2DEG的部分耗尽现象。
图4：AlN基未掺杂QW HEMT（top）与AlN基XHEMT（bottom）器件对比（两组器件采用完全相同的工艺流程制备）（a）（d）脉冲ID−VDS特性测试，以冷偏置条件（VGSq/VDSq=0 V/0 V）为基准，对两类器件施加相同应力偏置条件（VGSq/VDSq=−5 V/0 V、−5 V/10 V、−5 V/20 V）。测试结果显示：未掺杂QW HEMT在应力偏置下呈现显著电流崩塌；而AlN基XHEMT器件表现出优异的抗电流崩塌特性。（b）（e）关态能带结构仿真图4(b)与图4(e)分别展示了未掺杂QW HEMT与AlN基XHEMT在栅极关态下的能带分布。未掺杂器件因价带空态导致严重电流崩塌，其物理机制可解释为：当器件由开态转为关态时，沟道电子会填充底部GaN/AlN界面处价带空态（即空穴态）；然而这些被捕获电子需数毫秒甚至更长时间才能完全释放，导致脉冲偏置条件下沟道可移动电子减少，漏极电流显著降低。与之形成鲜明对比的是，AlN基XHEMT由于硅δ掺杂提供的电子有效填充价带空态，器件几乎不呈现电流崩塌现象。。。
。。。。。。剩余原文请在【奥趋光电】微信公众号查看