用于高频和功率电子器件的GaN-SiC混合材料

瑞典的研究人员在碳化硅（SiC）上生长出更薄的IIIA族氮化物结构，以期实现高功率和高频薄层高电子迁移率晶体管（T-HEMT）和其他器件。

从图1可以看出，新结构采用高质量的60nm无晶界氮化铝（AlN）成核层，而不是大约1-2μm厚的氮化镓（GaN）缓冲层，以避免大面积扩展缺陷。 成核层允许高质量的GaN在0.2μm的厚度内生长。

图1：（a）常规和（b）低TBR AlN成核，沿GaN / AlN / SiC界面沿[11-20]方向的横截面TEM图像。 （c）GaN /低TBR AlN NL / SiC的HRTEM图像。（d）GaN /低TBR AlN NL界面处的HRTEM。（e）低TBR AlN NL / SiC界面处HRTEM图像。

正常厚度的缓冲层用于转变和降低由于GaN和SiC之间3.5％晶格失配所引起的缺陷。需注意的是GaN与蓝宝石和硅等其他衬底的失配率要高得多。这样的缓冲层会为高功率和高频器件带来许多问题。这些层通常会掺杂碳或铁以增加电阻，目的是将电流限制在沟道区域，避免寄生传导的泄漏效应。这些掺杂无会产生电荷俘获状态，这可能导致其对性能的负面影响，例如射频操作中的电流崩溃。

另外，较薄的器件还应具有较低的热阻，从而改善热管理。来自SweGaN AB，查尔姆斯理工大学和林雪平大学的团队评论说：“GaN / AlN / SiC界面产生的空洞和位错等结构缺陷会引入热边界电阻（TBR），导致HEMT中通道温度升高30-40% 。”

降低昂贵材料的需求量是该项工作的另一个亮点。据研究人员估计，包括前体和气体在内的原材料需求量将降低90％，同时由于所需的生长时间缩短，处理成本也随之降低。

新的AlN成核工艺避免了导致柱状生长的颗粒状形态的产生——造成的这种缺陷会被带入覆盖的GaN中。 通常情况下，颗粒形态的产生是由于生长表面上铝原子的低迁移率造成的。

IIIA氮化物材料在硅面4H-SiC上生长。 热壁金属有机化学气相沉积法（MOCVD）用于制造具有60nm AlN成核，200nm GaN沟道，高达1.5nm的AlN中间层，10-14nm AlGaN势垒（~30％Al）的外延结构， 和2nm GaN盖帽层。 采用低热边界电阻（低TBR）技术生产的60nm AlN可由热壁生长实现。

尽管结构厚度更薄，但在低108 /cm-2范围内的穿透位错密度比具有相同厚度的典型GaN层低两个数量级，研究人员如此估计。在具有2nm GaN帽和14nm Al0.29Ga0.71N势垒的结构上的非接触式霍尔测量得到9.8×10 12/cm 2的二维电子气（2DEG）密度和2050cm 2 / V-s迁移率。 薄层电阻为315Ω/m2。

测试T-HEMT是在具有2nm GaN帽，10nm Al0.3Ga0.7N势垒和1nm AlN中间层的材料上制备的。 基于钽的触点用于源极/漏极，接触电阻为0.3Ω-mm。

图2：（a）直流漏极电流 - 电压（IDS-VDS）特性，（b）传输特性以及10V漏极偏置（VDS）下的栅极和漏极电流与栅极电压（VGS）的函数关系，（c）跨导（ gm）作为栅极电位的函数，和（d）作为T-HEMT的VDSQ的函数的射频输出功率密度。 （e）没有顶部活性层的异质结构的垂直和侧向击穿特性。

该器件实现了1.1A / mm的高导通电流密度和1.3Ω-mm的低归一化导通电阻。（图2）饱和电流可维持高达30V的漏极偏压。采用10V漏极偏压时，夹断很明显，跨导达到500mS / mm。 阈值摆幅取决于栅极长度：0.1μm为250mV / decade，0.2μm为130mV / decade。 对于0.1μm和0.2μm的栅极，击穿电压分别为70V和140V。

研究人员表明“击穿电压和栅极长度之间的线性关系表明，由于栅极长度和栅极 - 漏极间距的限制，击穿是横向发生的。”

栅极 - 漏极间距为2μm，远远低于通常用于GaN HEMT的通常10-20μm，目的是为了提高功率性能。而传统的GaN功率HEMT具有微米级的栅极长度。

30GHz时的负载牵引测量在40V漏极 - 源极静态偏置（VDSQ）下产生5.8W / mm的峰值射频功率密度。

在没有上AlN / AlGaN层的外延叠层上的击穿测量在横向和垂直方向上产生高达1.5kV击穿电压。 该团队说：“在这两种情况下，击穿是由于触点的不良划定。 因此，预期堆叠的实际击穿电压会更高。也就是说，击穿受表面限制，并证实没有界面载体。”

本文翻译自semiconductor-today——[Jr-Tai Chen, Johan Bergsten, Jun Lu etc.Appl. Phys. Lett. 113, 041605 (2018);        https://doi.org/10.1063/1.5042049] A GaN–SiC hybrid material for high-frequency and power electronics