行业 | 首款纯AlN基MESFET晶体管面世

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A debut for the native AlN transistor

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刊登于Compound Semiconductor 2025年2月10日

制备在2英寸AlN单晶衬底之上的纯AlN基金属-半导体晶体管，击穿电压超2 kV

亚利桑那州立大学的研究团队宣称，他们成功研制出首款在AlN单晶衬底上的纯AlN基晶体管。该团队所制备的金属 - 半导体场效应晶体管（MESFET），其击穿电压超过2 kV，且据称漏极饱和电流及开关比（开/关比值）的数值亦颇为可观。

该团队发言人Houqiang Feng在接受《化合物半导体》杂志采访时表示，AlN基MESFETs具有在高电压、高击穿电场及高功率密度条件下运行的潜能，因而在电力电子与射频电子领域展现出良好的应用前景。

AlN属于超宽带隙半导体家族，该家族成员还包括β-Ga₂O₃及金刚石。AlN具备6.2 eV的超高带隙以及12 MV cm^-1的击穿场强。正是基于这些显著优势，AlN器件受到了广泛关注。然而，此类器件的研发与应用仍需攻克与缺陷、掺杂及电极接触相关的一系列工程难题。例如，常用n型掺杂剂硅的电离能高达200 meV以上；同时，金属材料在与之接触时，往往倾向于形成类肖特基接触，而非理想的欧姆接触。

此前，已有多个研究团队分别报道了在AlN单晶衬底上成功制备出AlN肖特基势垒二极管（SBDs），以及在异质衬底上成功制备出AlN基MESFET。在此基础上，Feng及其同事取得了成功。

亚利桑那州立大学的研究团队别出心裁，采用以下工艺成功制备出首个AlNd单晶衬底基纯AlN金属-半导体场效应晶体管（AlN-on-AlN MESFETs）：他们使用Hexatech公司的2英寸AlN单晶衬底放入MOCVD反应器中，然后依次进行沉积操作，先沉积一层厚度为1 µm的AlN缓冲层，接着沉积一层厚度为200 nm、Si掺杂浓度为1×10¹⁹ cm^-3的n型沟道层，最后沉积一层厚度为2 nm的氮化镓（GaN）覆盖层，这层覆盖层的作用是保护氮化铝层不被氧化。

对外延晶片的表征结果表明，经原子力显微镜测定，其表面粗糙度约为0.4 nm；通过X射线衍射分析可知，位错密度低至10⁴ cm^-2。鉴于此位错密度相较于蓝宝石衬底上AlN （AlN-on-sapphire）结构的位错密度至少低三个数量级，故有望提升器件性能。

在器件制备过程中，首要步骤是对外延晶片的表面进行精细清洗。随后，运用常规的光刻及剥离工艺，通过向电阻缓冲层内部进行深度约为700 nm的蚀刻操作，从而构建出孤立的台面结构。在电极接触的制备方面，采用电子束沉积技术来完成全部三个电极接触的制作。具体而言，先形成源极和漏极，而后在氮气氛围环境中，以950℃的高温进行为期30 s的退火处理。

对MESFETs晶体管进行电学特性测试后发现，AlN欧姆接触呈现出非线性特征。据相关研究表明，鉴于金属-半导体界面处存在较高的势垒，这种非线性特性在AlN以及高Al含量的AlGaN体系中较为普遍。研究团队经实验观测到，在较高温度环境下，接触电阻率呈下降趋势。其原因在于，随着温度升高，热激发电子穿越金属/氮化铝界面时所受阻碍减小。具体而言，这是由于在高温条件下，电子能够通过因势垒有效厚度减小而更易通过的隧穿效应和/或热电子发射作用穿过该界面。

输出特性测量结果显示，该器件具有常开型工作特性，且漏极电流可被栅源电压有效调制。其漏极电流密度峰值达56 μA mm^-1，此数值为此前所报道的蓝宝石衬底上AlN MESFETs晶体管（AlN-on-sapphire MESFETs）相应数值的6倍。Feng等人认为，这种性能提升源于同质外延AlN层的片电阻较低。随着漏极 - 栅极间距由2 µm增至15 µm，该团队所研制器件的关态击穿电压由442 V提升至2010 V。Feng指出，就导通电阻与正向电流能力而论，其团队的晶体管相较于当前最先进的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）功率器件仍存在差距。究其原因，主要在于AlN器件中电子载流子浓度偏低，且欧姆接触性能欠佳。

目前，该团队正着力于提升其AlN MESFETs的掺杂效率及欧姆接触性能，旨在降低导通电阻并增大导通态电流。此外，Feng补充道，他们还在开展纯AlN基晶体管（MOSFETs）的研发工作，以期实现更为稳健的栅极控制。

Reference

B. Da et al. Appl. Phys. Express 17 104002 (2024)

原文源于【CS】官网