行业 | 俄亥俄州立大学和桑迪亚国家实验室联合团队基于AlN单晶衬底实现超纪录性能场效应晶体管

AlN Gate Interlayer for UWBG AlGaN Transistors with Breakdown Field >6.9 MV/cm and PFOM >1.8 GW/cm²

原文链接
https://arxiv.org/pdf/2606.02954v1

原文作者

Seungheon Shin^1,a), Jonathan Pratt^1, Joe McGlone¹, Yinxuan Zhu¹, Brianna A. Klein³, Andrew Armstrong³, Andrew A. Allerman³, and Siddharth Rajan^1,2

¹Department of Electrical & Computer Engineering, The Ohio State University,

²Department of Materials Science & Engineering, The Ohio State University,

³Sandia National Laboratories, Albuquerque,

项目支持方
美国能源部（DOE）、ARO DEVCOM公司超宽禁带射频中心（UWBG RF center）

摘要

我们报道了采用再生长外延 AlN 栅极中间层的超宽禁带（UWBG）AlGaN 极化梯度场效应晶体管（PolFET）。通过引入外延 AlN 栅极中间层显著提高了击穿强度，平均击穿场强超过 6.94 MV/cm，这代表了横向场效应晶体管的先进水平，同时保持了超过 1 A/mm 的优异导通态电流密度。外延 AlN 的集成使得在击穿电压超过 1.45 kV 时，功率开关优值超过 1.87 GW/cm²，达到了先进水平。这项工作展示了 UWBG AlGaN 在下一代高功率开关和射频应用中的潜力，其增强的器件性能是由高质量的外延再生长 AlN 栅极中间层所确立。

近年来，超宽禁带（UWBG）AlGaN，也称为高铝含量或富铝 AlGaN，在器件性能方面表现出色，包括多千伏击穿电压、大的平均击穿场强、高电流驱动能力、高温工作能力和有前景的射频性能，这使得 UWBG AlGaN 成为下一代高功率开关和毫米波应用的强力候选者。这些进展对于提高约翰逊优值（JFOM）和功率开关优值（PFOM）非常重要，它们分别指导射频和功率应用的器件设计。虽然材料优值提供了最终性能极限的估计，但随着材料的击穿场强接近极值（如在超宽禁带晶体管中），在器件中实现这些极限是一个挑战。

在射频晶体管中，A 类工作下的理论最大输出功率密度可估算为：

(1)

其中 V_MAX−V_KNEE≈V_BR=F_BRL_GD,f_T∼ ，而V_BR,F_BR,L_GD和 v_sat分别是击穿电压、平均击穿场强、栅漏间距和饱和速度。在面向射频功率放大的器件中，实现高的 F_BRI_MAX乘积非常重要。在功率器件中，总功率损耗可近似为：

其中 P_SW,P_COND和 μ_n分别是开关损耗、导通损耗和电子迁移率。这个关系表明，在器件中实现高击穿场强对于最小化导通和开关损耗至关重要。总之，在实现高性能超宽禁带射频和功率晶体管时，实现器件的高击穿场强，同时保持高电流密度和迁移率是先决条件。

在之前的报告中，Zhu 等人展示了 UWBG AlGaN 晶体管中超过 85 GHz 的截止频率，这是由低接触电阻工程实现的。此外，先前的工作通过在异质结场效应晶体管（HFET）和极化梯度场效应晶体管（PolFET）中展示超过 2 kV 的高电压能力和高 PFOM，确立了 UWBG AlGaN 的高压能力。然而，要进一步接近 UWBG AlGaN 的理论材料极限，需要在高质量栅极绝缘体、针对极端电场的先进场管理方案、显著降低接入区和接触电阻、改善钝化以最小化开关色散以及对 UWBG AlGaN 中载流子迁移率的深入理解等方面取得同步进展。其中，栅极绝缘体质量尤为重要，因为它直接影响栅极泄漏、界面电荷控制和沟道的静电调制，同时也决定了在 UWBG AlGaN 中极端电场下发生过早击穿的敏感性。在传统的肖特基栅结构中，在达到本征材料极限之前就可能产生大的栅极电流，导致横向 UWBG AlGaN 晶体管的过早击穿远低于理论击穿电场（>10 MV/cm）。

为了解决这些相互关联的挑战，我们在此研究了集成了外延再生长 AlN 栅极中间层的 UWBG AlGaN PolFET。集成 AlN 的器件显示出超过 6.94 MV/cm 的极高平均击穿场强，同时保持高于 1 A/mm 的高 I_MAX，并且在具有相似千伏级（约 2 kV）击穿电压范围的横向功率晶体管中，实现了超过 1.87 GW/cm² 的先进水平 PFOM。这些结果为面向下一代毫米波和高功率开关应用的 UWBG AlGaN 确立了一条栅极绝缘体工程路线。

本工作中使用的起始外延结构是在 TNSC-4000HT MOCVD 反应器中在 AlN 单晶衬底上生长的。该堆叠包括 2 nm 的重掺杂背势垒、30 nm 非故意掺杂（UID）Al_0.5Ga_0.5N 缓冲层、10 nm 从 Al_0.5Ga_0.5N 向间隔层渐变至 Al_0.8Ga_0.2N 的 AlGaN 沟道、30 nm n-Al_0.8Ga_0.2N 间隔层和 32.5 nm 反向渐变的 n⁺⁺ AlGaN 接触层。层序、厚度、合金成分和掺杂条件如图 1(a)所示。各层的具体功能和相关的外延设计考虑在我们之前的工作中有详细描述。器件制造始于使用低损伤基于 Cl₂ 的 ICP-RIE 去除接入区的接触层，然后是 7.5 nm 等离子体辅助分子束外延（PAMBE）AlN 外延再生长（此处称为“AlN 中间层”样品）。使用相同的低损伤 ICP-RIE 工艺蚀刻欧姆区域的再生长 AlN 层，随后进行非合金欧姆金属蒸发（Ti/Al/Ni/Au=20/120/30/100 nm），以及使用 ICP-RIE 进行台面隔离（约 240 nm）。最后，沉积 Ni/Au（30/200 nm）栅极金属。所有工艺流程均使用直写光学光刻完成。对照样品省略了 AlN 再生长和欧姆区域蚀刻步骤（此处称为“无 AlN 中间层”样品）。栅极区域下方的模拟理想能带图和电子分布见图 1(b)、(c)。模拟的电子分布显示，在外延再生长 AlN 层中由于额外的极化电荷引起的表面耗尽减少，导致 AlGaN 层中出现了额外的电荷积累。欧姆区域的能带图和外延层模板的高分辨率 X 射线衍射在文献中描述。

图 1. (a) 含 7.5 nm AlN 插入层的外延结构与器件示意图；栅极下方区域的一维薛定谔方程模拟理想能带图及电子分布剖面：(b) 无 AlN 插入层器件，(c) 含 AlN 插入层器件。

表 1 总结了每种器件结构的霍尔测量和传输线测量（TLM）结果。霍尔测量结果表明，与无 AlN 中间层样品相比，带有 AlN 中间层的方块电阻（RSH）降低了约 6%，这主要是由于电荷密度的增加，而迁移率变化可以忽略不计。这表明再生长 AlN 层中的额外极化电荷补偿了表面耗尽，从而导致电荷密度增加。TLM 结果显示欧姆接触特性仅有微小变化，表明再生长 AlN 集成与 AlN 回蚀工艺的可行性。

此外，电容-电压（C-V）测量也证实了电荷增强效应。对每个器件进行了高达正向导通电压的双扫 C-V 测量（图 2(a)）。从提取的电子分布来看，在 AlN 中间层器件的表面附近观察到了第二个电子峰，而无 AlN 中间层器件由于高导电性而无法施加正偏压（图 2(b)）。这一结果表明，再生长 AlN 的集成有效地产生了额外的导电电荷，从而改善了导通态器件性能。

表 1. 霍尔测量和 TLM 结果

图 2. (a) 正向扫描至开启电压的双扫 C-V 测试曲线；(b) 由 C-V 特性提取的电子分布剖面。

对于器件特性，本文报道了三种具有不同栅漏间距的典型器件。对于无 AlN 中间层器件，L_GD=0.82, 4.06 和 6.84 μm，名义上 L_G=0.9 μm 且 L_SG=0.6 μm。对于 AlN 中间层器件，L_GD=0.86,4.03和 6.96μm，名义上 L_G=1.24μm且 L_SG=0.34μm。在栅漏间距最小的器件中，AlN 中间层器件（L_GD=0.86 μm）在 V_GS=3 V, V_DS=20 V 时表现出 1.02 A/mm 的最大导通态电流（I_MAX）（图 3(a)），而无 AlN 中间层器件在相同偏置条件下显示 0.9 A/mm（图 3(b)），这与霍尔/C-V 表征的预期趋势一致。此外，由于栅金属/AlN 界面处的更高势垒高度，AlN 中间层器件的栅极泄漏电流比无 AlN 中间层器件低 7 倍。这对应于 AlN 中间层和无 AlN 中间层器件的开关比分别为 5.4x10⁷ 和 6.4x10⁷（图 3(c)）。这些结果表明，薄的 AlN 外延再生长可以同时改善导通态和关断态性能，作为绝缘栅中间层，通过增加电荷密度和提高栅极隧穿势垒高度来实现。

图 3. 不同栅漏间距（L_GD）下的直流输出特性：(a) 无 AlN 插入层器件，(b) 含 AlN 插入层器件；(c) 两种器件的转移特性曲线（实线：漏极电流，虚线：栅极电流）。

使用 Maury Microwave MT2000 系统对 L_GD=0.86μm的 AlN 中间层器件进行了小信号测量。图 4 显示了仅在有效区域内测量的代表性电流增益、最大单向增益（MUG）和最大稳定增益（MSG），测量条件为 V_GS=−4.6 V,V_DS=20 V。提取的截止频率 (f_T)和最大振荡频率 (f_MAX)分别为 5.6 GHz 和 16 GHz。需要注意的是，射频性能主要受相对较高的接触电阻限制。

通过脉冲 I-V 测量研究了陷阱相关特性，对象是两种具有最小 L_GD 的无 AlN 中间层和 AlN 中间层器件。测量使用 Keithley 4200A 完成。两种器件的脉冲条件设置为脉宽= 6 μs，占空比= 0.1%，V_DSQ= 30 V，且 V_GSQ 设置为比夹断电压（V_P）更负的偏压，以包括沟道层下方更深陷阱的影响（V_GSQ~V_P-5 V）。脉冲 I-V 测量中的电流下降在无 AlN 中间层和 AlN 中间层器件中分别约为直流 IMAX 的 28% 和 19%（图 5(a),(b)）。

图 4. L_GD= 0.86 μm 的 AlN 插入层器件在 V_GS= -4.6 V、V_DS= 20 V 偏置下的射频特性。

图 5. 静态工作点 VGSQ≈ VP– 5 V、VDSQ= 30 V 下的脉冲 I-V 测试结果：(a) 无 AlN 插入层器件，(b) 含 AlN 插入层器件。

使用 Keysight B1505A 分析仪通过三端高压击穿测量评估了关态特性。此处的击穿电压（V_BR）定义为在关态（V_GS ∼V_P−5 V）漏极电流超过 1 mA/mm 时的漏极电压。典型的击穿测量以及击穿电压和击穿场强对栅漏间距的依赖性分别如图 6(a) 和 (b) 所示。

L_GD=0.86μm的 AlN 中间层器件表现出 V_BR=600 V，对应于平均击穿场强 6.94MV/cm（使用定义 F_BR=V_BR/L_GD）。更长 L_GD（4.03 和 6.96μm）的 V_BR分别为 1.45 和 1.67kV，但平均击穿场强较低。无 AlN 中间层器件在 L_GD=0.82μm时显示出显著较低的相应击穿场强 F_BR（约 3.1 MV/cm）。这些结果表明，用更高临界场强的材料替换栅边缘的表面材料可以提高器件的平均击穿场强。使用 Silvaco TCAD 进行了二维器件仿真。图 7(a) 显示了在漏极电压为 600 V、L_GD=0.86um时 x 方向电场的二维等高线图。击穿条件下栅金属/再生长 AlN 界面处的 x 方向电场分布如图 7(b) 所示，表明峰值电场幅度约为 16 MV/cm，这接近于 AlN 的预期击穿场强。然而，需要注意的是，由于 TCAD 仿真中缺乏对表面和界面陷阱的正确定义，以及仿真中假设的尖锐拐角，模拟的峰值电场可能被高估了。实际上，预计场峰值会更低且分布更广。

图 6. 不同 L_GD下的三端击穿特性，其中蓝线和黑线分别代表含 AlN 插入层和无 AlN 插入层器件；(b) 击穿电压（F_BR）随 L_GD的变化关系。

图 7. LGD= 0.86 μm 的 AlN 插入层器件在击穿条件下的 TCAD 仿真结果：(a) x 方向电场等值线图，(b) 栅金属/再生长 AlN 界面处的电场分布。

从输出特性的线性区域，在最长 L_GD的无 AlN 中间层和 AlN 中间层中，分别获得了 2.12 和 2.09 mΩ⋅cm²的比导通电阻 (R_on.sp=(2L_T+L_SD)×R_ON)（图 3(a),(b)）。基于 R_on.sp和击穿结果，估算 AlN 中间层器件的功率开关优值（PFOM= V_BR²/R_on.sp）约为 ∼1.87GW/cm²，而无 AlN 中间层器件显示为 ∼0.67GW/cm²（图 8）。这代表了包括 GaN、Ga₂O₃ 等其他半导体在内的 WBG 横向晶体管中最高的功率开关优值。

此外，图 9 展示了最先进的 UWBG AlGaN 晶体管（沟道 Al 组分高于 40%）在最大导通电流和平均击穿场强方面的器件性能比较。这些结果表明，外延再生长 AlN 栅极中间层的集成同样显著改善了导通态和关断态器件性能，展示了平均击穿场强和最大导通电流的创纪录组合。

图 8. 本研究与现有先进横向功率器件材料的比导通电阻（R_on,sp）—击穿电压（V_BR）性能对比。

图 9. UWBG AlGaN 沟道晶体管（FBR与 IMAX基准图（沟道 Al%>40%）

总之，我们报道了在 UWBG AlGaN PolFET 平台上集成通过PAMBE 再生长 的AlN 栅极中间层，并在具有 AlN 栅绝缘中间层的器件中，实现了横向场效应晶体管的高平均击穿场强（>6.94 MV/cm）以及 1.02 A/mm 的高导通态电流密度。在 L_GD=4.03μm(V_BR=1.45kV)的器件中实现了有前景的功率开关优值（PFOM~ 1.87 GW/cm²）。这种栅极中间层的集成为下一代毫米波和高功率开关应用重新定义了 UWBG AlGaN。