行业 | 美国海军实验室等联合团队实现850℃超高开关比AlGaN沟道HEMT器件

译自原文
Operation of AlGaN Channel HEMTs at 850 ℃ With ON/OFF Ratio >10⁴

原文链接
https://ieeexplore.ieee.org/document/11268286, IEEE Electron Device Letters,  Volume: 47, Issue: 2, February 2026

原文作者
James Spencer Lundh , Brianna A. Klein , Andrew A. Allerman, Andrew J. Cantrell, Alfred Zhao , Daniel J. Pennachio , GlenAsia Gonzalez, Eric Cruz, Tolen M. Nelson, Geoffrey M. Foster, Alan G. Jacobs, Andrew D. Koehler , Marko J. Tadjer, Giovanni Esteves , Senior Member, IEEE, Roy H. Olsson , Senior Member, IEEE, Andrew M. Armstrong , Karl D. Hobart, and Michael A. Mastro

James Spencer Lundh, Daniel J. Pennachio, Alan G. Jacobs, Andrew D. Koehler, Marko J. Tadjer, Karl D. Hobart, and Michael A. Mastro are with the U.S. Naval Research Laboratory (NRL),

Brianna A. Klein, Andrew A. Allerman, GlenAsia Gonzalez, Eric Cruz, Giovanni Esteves, and Andrew M. Armstrong are with Sandia National Laboratories,

Andrew J. Cantrell is with the Naval Research Enterprise Internship Program, residing at the U.S. Naval Research Laboratory (NRL),

Alfred Zhao and Roy H. Olsson are with the University of Pennsylvania,

Tolen M. Nelson is with the National Research Council Postdoctoral Fellowship Program, residing at the U.S. Naval Research Laboratory (NRL),

Geoffrey M. Foster is with Amentum Services, Inc.

项目支持方
美国海军研究实验室（NRL）、海军研究办公室（ONR）资助；桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）、美国国家核安全管理局（NNSA）

摘要

本文报道了超宽禁带（UWBG）富铝 Al₀.₆₈Ga₀.₃₂N 沟道高电子迁移率晶体管（HEMTs）在常压氮气氛围中 850 °C 下的工作特性。我们采用原位测试技术，系统表征了器件在高达 850 °C 温度下的变温直流（DC）电学特性，并监测了其在 850 °C 恒温老化 60 分钟后的性能演变及高温测试后室温（25 °C）的恢复情况。结果表明，在 850 °C 初始时刻（t=0min），所有被测器件的开关比均维持在 10⁴以上（最高达 4.6×10⁴），且阈值电压表现出优异的稳定性，漂移量小于 ±10%。当器件重新降温至 25 °C 后，性能未出现明显退化；事实上，器件的关态栅电流降低，开关比甚至略有提升。这种超宽禁带 AlGaN 晶体管在高达 850 °C 极端环境下的鲁棒性，证明了其在极端环境电子学领域的巨大应用潜力。

引言

宽禁带（WBG）及超宽禁带（UWBG）半导体因其对高温与辐射具有本征鲁棒性，在极端环境电子学应用中备受关注。硅基器件的工作温度通常被限制在 300 °C 以下，而以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、铝镓氮/氮化铝（Al_xGa_1−xN/AlN）、氧化镓（Ga₂O₃）及金刚石为代表的 WBG/UWBG 半导体，凭借其更宽的禁带宽度和更低的内建载流子浓度，具备显著更高的理论耐温极限。得益于早期的产业投入与技术成熟度，SiC 已成为高温应用领域的主力军，已在器件及集成电路层面实现了 500 °C 乃至更高温度下的稳定工作，与此同时，WBG GaN 也展现出巨大潜力。早期研究显示，InAlN/GaN 高电子迁移率晶体管（HEMTs）在 800–1000 °C 的高温下仍能工作，但开关比仅为约 10。近期，Visvkarma 等人和Xiong 等人通过在 GaN HEMTs 中引入 p-GaN 栅结构与 TaSi₂基欧姆接触，成功在 800 °C 下实现了分别为 770 和 4500 的开关比。

在本工作中，我们首次展示了超宽禁带（UWBG）半导体晶体管技术在突破 800 °C 工作温区方面的成果。 得益于其本征热鲁棒性，这种高铝组分 Al₀.₆₈Ga₀.₃₂N 沟道 HEMTs 能够在 850 °C 氮气氛围中实现稳定工作，开关比超过 10⁴（最高达 4.6×10⁴），且阈值电压稳定性良好（漂移量 < ±10%）。此外，器件在经过高温测试并降温至 25 °C 后，性能未出现明显退化。

实验方法

富铝 AlGaN 沟道 HEMTs（图 1(a)）制备于蓝宝石衬底上，其下方生长有一层 3.4 µm 厚的 AlN 缓冲层。采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术生长了 500 nm 厚非故意掺杂（UID）的 Al₀.₆₈Ga₀.₃₂N 沟道层，以及一层 30 nm 厚、Si 掺杂浓度为 6×10¹⁸ cm⁻³的 Al₀.₈₅Ga₀.₁₅N 势垒层。势垒层进行掺杂旨在降低欧姆接触电阻。随后，沉积并图形化钨掩模，通过 MOCVD 进行组分反梯度 n++（CRGN）欧姆接触再生长。该再生长结构自下而上依次为：10 nm Si 掺杂（6×10¹⁸ cm⁻³）的 Al₀.₈₅Ga₀.₁₅N、100 nm Si 掺杂（2-12×10¹⁹ cm⁻³）的组分反梯度 Al_xGa_1−xN 层（x值由 85% 渐变至 14%），以及 30 nm Si 掺杂（1.2×10²⁰ cm⁻³）的 Al₀.₁₄Ga₀.₈₆N 层。接着，分别采用基于 BCl₃/Cl₂ 的反应离子刻蚀和基于 NH₄OH/H₂O₂ 的湿法腐蚀，去除沟道区域的欧姆再生长层及钨掩模。欧姆接触金属采用 Ti/Al/Ni/Au（25/100/15/50 nm）电子束蒸发，并在氮气氛围下经快速热退火（700 °C，30 s）形成。栅金属堆叠层（Ni/Au，20/450 nm）同样通过电子束蒸发沉积。最后，利用原子层沉积（ALD）和等离子体增强化学气相沉积（PECVD）制备双层 SiO₂ 介质层（厚度分别为 50 nm 和 300 nm），并通过基于 CF₄ 的干法刻蚀打开接触窗口。采用圆形传输线模型（CTLM）结构测得，该器件的比接触电阻为 6.7×10⁻⁴Ω⋅cm²，方块电阻为 6.3 kΩ/sq。

图 1. (a) AlGaN HEMT 器件截面示意图；经过 850 °C 高温处理 60 分钟后，(b) 栅电极与 (c) 漏极的扫描电子显微镜（SEM）截面形貌图。

图 2. AlGaN 沟道 HEMT 的变温直流特性：(a)-(c) 输出特性与 (d)-(f) 转移特性。 图 (c) 的插图示出了器件在 850 °C 下的工作状态；图 (e) 的插图为亚阈值摆幅（SS）随温度的变化关系。

采用 Instec Inc. HP1000V 探针台对样品进行加热（常压，氮气氛围）。直流（DC）电学测试由 Keithley 4200A-SCS 参数分析仪完成。利用聚焦离子束（FIB）铣削制备截面样品，并通过扫描电子显微镜（SEM）进行成像（图 1(b)-(c)）

结果与讨论

图 2(a)-(c) 展示了器件的变温直流输出特性，漏源电压（V_DS）扫描范围为 0 至 10 V。随着温度从 25 °C 升高至 850 °C，饱和漏极电流（I_D,sat，V_GS=2 V）由 79 mA/mm 下降至 31.1 mA/mm。线性坐标下的直流转移特性（图 2(d)）呈现出相似的退化趋势。图 2(e) 和 2(f) 分别给出了漏极电流（I_D）和栅极电流（I_G）的对数坐标转移特性曲线。值得注意的是，I_D与 I_G的关态电流均随温度升高呈先下降后上升的趋势：在 400 °C 以下，关态电流随温度升高而减小并达到最小值；当温度超过 400 °C 后，二者随温度升高转而增大。

图 3. 器件在 850 °C 下 (a) 直流输出特性及 (b), (c) 直流转移特性对比： 其中虚线代表初始时刻（t=0 min），实线代表恒温 60 分钟后。25∘C下高温测试 (d) 前后的直流输出特性及 (e), (f) 直流转移特性对比：虚线代表测试前，实线代表测试后。

图 3(a)-(c) 对比了 HEMTs 在刚达到 850 °C 时（时间 t=0 min）与在无偏压条件下恒温老化 60 分钟后（t=60 min）的直流性能。从 t=0到 t=60 min，器件的直流输出特性与转移特性均未发生明显变化：I_D,sat仅由 31.1 mA/mm 略微降至 30.2 mA/mm，开关比由 3.69×10⁴提升至 4×10⁴，阈值电压（V_T）正向漂移了 +0.02 V，关态栅极泄漏电流（I_G,off）由 7.4×10⁻³ mA/mm增至 1.8×10⁻² mA/mm。同样地，图 3(d)-(f) 对比了器件在 850 °C 氮气氛围中经受 60 分钟高温测试前后的室温（25 °C）直流性能。结果再次表明器件性能未出现明显退化：I_D,sat由 79 mA/mm 微增至 80 mA/mm，开关比由 1.03×10⁶显著提升至 4.66×10⁷，V_T正向漂移 +0.09 V，且 I_G,off由 1×10⁻³ mA/mm降低至 1.1×10⁻⁴ mA/mm。高温测试结束后，我们利用扫描电子显微镜（SEM）对栅极和漏极区域进行了截面成像。如图 1(b) 所示，栅金属与 SiO₂ 钝化层在 850 °C 处理后形貌完好；然而，欧姆金属堆叠层与 SiO₂ 层之间发生了显著的元素互混（Inter-diffusion）。尽管这种互混现象在本研究中并未导致直流性能的明显劣化，但这构成了潜在的可靠性风险，值得在未来的工作中深入研究。

图 4. 四个器件的 (a) 饱和漏极电流 ID,sat、(b) 关态栅极漏电流 IG,off、(c) 阈值电压 VT及 (d) 开关比随温度的变化关系。 具体参数提取方法详见正文。图 (c) 的插图为相对于初始 25 °C 测量值的 VT漂移百分比。星形与方形数据分别对应：在 850 °C 氮气氛围中恒温老化 60 分钟后（星形）以及高温测试结束返回 25 °C 后（方形）的测试结果。

图 4 展示了四个器件关键性能参数的变温特性。饱和漏极电流 I_D,sat（取漏源电压 V_DS在 9 V 至 10 V 范围内、V_GS=2 V时的平均值）随温度升高至 850 °C 而单调下降（图 4(a)）。这主要归因于高温下电子-声子散射加剧，导致载流子迁移率降低。如图 4(b) 所示，关态栅极漏电流 I_G,off（取 V_GS在 -10 V 至 -9 V 范围内、V_DS=10 V时的平均值）随温度升高呈先降后升趋势：在 400 °C 达到最小值，随后随温度继续升高而稳步增加，这与图 2(f) 的结果一致。阈值电压 V_T的提取方法如下：首先，在直流转移特性曲线中找到对应峰值跨导（g_m,peak）的栅压 V_GS；其次，对该点附近的十个数据点进行线性拟合；最后，提取该拟合线的横截距作为 V_T。在整个测试温区内，V_T表现出良好的稳定性（图 4(c)），其相对于 25 °C 初始值的漂移量未超过 ±10%（约 500 mV）。

开关比（其中导通电流 I_on取 4 V≤V_GS≤5 V范围内的平均值，关断电流 I_off取 −10 V≤V_GS≤−9 V范围内的平均值）随温度升高呈现先升后降的趋势。当温度从 25 °C 升至 400 °C 时，开关比由 10⁶提升至略低于 10⁸；此后，随着温度进一步升高至 850 °C，开关比逐渐回落。尽管如此，在 600 °C 下，所有器件的开关比仍保持在 10⁶量级或以上。在 850 °C 初始时刻（t=0 min）及恒温 60 分钟后（t=60 min），四个器件的开关比分别为：2.08×10⁴（2.06×10⁴）、2.61×10⁴（8.64×10³）、3.69×10⁴（4×10⁴）和 4.6×10⁴（3.47×10⁴）。据我们所知，这是目前报道的、工作温度在 800 °C 及以上的晶体管中所实现的最高开关比。

图 5. 各类 WBG/UWBG 器件技术的开关比随工作温度变化的性能对比。 需注意的是，各文献报道中的器件结构尺寸存在差异。

在图 5 中，我们将本工作报道的 AlGaN HEMTs 的变温开关比特性，与先前报道的各类 WBG/UWBG 晶体管高温工作（300–1000 °C）性能进行了横向对比，涵盖的技术包括 SiC、GaN 、AlGaN、AlN、Ga₂O₃及金刚石。据我们所知，在 700–850 °C 的温度区间内，尚无任何报道的开关比能超越本工作。

结论

本工作成功实现了超宽禁带（UWBG）Al₀.₆₈Ga₀.₃₂N 沟道 HEMTs 在 850 °C 高温下的工作，开关比大于 10⁴（最高达 4.6×10⁴），且阈值电压稳定性良好（漂移量 < ±10%）。与近期报道的其他高温欧姆接触新技术不同，本研究采用了传统的 III 族氮化物欧姆金属堆叠结构（即 Ti/Al/Ni/Au）。高温测试后，器件性能未出现明显退化，充分证明了 AlGaN 沟道 HEMTs 在高温应用中的鲁棒性。尽管该演示结果令人鼓舞，但仍有若干方向有待未来深入研究：（i）开展广泛的材料表征与分析，以深入理解元素的迁移与互混机制；（ii）优化器件设计（如采用新型金属化方案），以提升可靠性并实现更高温度的器件工作；（iii）有必要补充高温下的其他电学特性表征与可靠性测试，如击穿电压测试等。此外，正如早期研究指出的那样，高温微电子学的实现不仅是器件层面的挑战，还必须开发封装与系统级的可靠高温解决方案（例如高温引线键合技术）。