译自原文：
AlN/GaN/AlN HEMTs on Bulk AlN Substrates with High Drain Current Density > 2.8 A/mm and Average Breakdown Field > 2 MV/cm

原文作者：
Eungkyun Kim , Yu-Hsin Chen , Jimy Encomendero , Debdeep Jena, and Huili Grace Xing, Cornell University

原文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10605544

原文发表于IEEE 2024 Device Research Conference, College Park, MD, USA, 24-26 June 2024

项目支持方：

美国国防高级研究计划局（DARPA）、美国科学研究委员会（SRC）及美国国家自然基金（NSF）等

引言

GaN的宽带隙特性和高饱和速度对于提升射频（RF）晶体管的输出功率密度（Pout）至关重要，这使得雷达和通信系统的覆盖范围得以增加。然而，目前GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）的输出功率密度进一步提高受到热限制，主要因为在器件沟道层运行时产生过多无效的热量。为了确保在高输出功率下实现可靠且持久的运行，必须改进GaN HEMTs的热管理措施。为此，我们开发了AlN/GaN/AlN HEMTs，其中在单晶AlN衬底上同质外延生长了AlN缓冲层。这种异质结构中的AlN既提供了超宽带隙（约6.1 eV），也具有高热导率（340 W/m·K）。Soctera最近的研究已经证实了在SiC衬底上生长的HEMTs中AlN缓冲层的热优势。我们采用的AlN同质外延技术进一步提升了热性能，使生长界面的热边界阻力消除成为可能。在此基础上，我们采用MBE技术显著提升AlN同质外延质量后，首次报道了在Al极性AlN单晶衬底上生长的HEMT的通态电流和击穿行为。

实验部分

采用等离子体辅助分子束外延（MBE）技术，在Asahi Kase公司（译者注：即美国Crystal-IS公司，旭化成子公司）提供的AlN单晶衬底上生长了AlN/GaN/AlN异质结构，该单晶衬底的位错密度小于104 cm-2。生长过程始于使用铝辅助表面清洁技术对AlN单晶衬底进行原位清洁，最终形成的外延结构包括2 nm的GaN顶层、3 nm的AlN势垒层、250 nm的GaN沟道层和500 nm的AlN缓冲层。器件的制备采用了重新对准的后栅极工艺流程，首先是MBE腔室内80 nm n+型GaN的再生长，随后通过BCl3感应耦合等离子体蚀刻进行台面隔离。源极和漏极接触点通过电子束蒸发Ti/Au进行金属化处理。然后，对于源极至漏极间距大于1 μm的器件，通过I线光刻工艺制备矩形栅极；而对于亚微米级器件，则通过电子束光刻（EBL）制备T形栅极。最终的器件结构及其能带图如图1所示。

图1 AlN/GaN/AlN HEMT全器件横截面示意图以及栅极下的模拟能带图。

图2 HEMT的C-V特性（黑色）及提取的二维电子气（2DEG）密度（红色）。

结果与讨论

在MBE生长之后，通过在室温下使用焊接角铟接触二维电子气（2DEG）进行了霍尔效应测量，结果显示电子迁移率为1080 cm2/V·s，2DEG密度为2.32 × 1013 cm⁻2，相应的片电阻为250 Ω/q。器件制备完成后，使用HEMT的栅极和源极接触分别作为阳极和阴极进行了电容-电压（C-V）测量。在平衡状态下，从C-V曲线提取的2DEG密度为2.36 × 1013 cm⁻2，如图2所示，这与霍尔效应测量结果一致。在一个LSD = 3 μm且栅长LG = 0.8 μm的器件上进行的直流转移测量（见图3）显示了出色的栅极控制，峰值外部跨导gm = 0.42 S/mm，阈值电压Vth约为-2 V。图4展示了三端输出特性。测量得到的峰值漏极电流密度ID,max = 1.6 A/mm，且输出电导（gds）较低。随着横向尺寸的缩小，ID,max增加到2.85 A/mm，同时保持低gds。接下来，为了研究色散控制，测量了脉宽为500 ns、占空比为0.05%的脉冲I-V特性。如图5所示，没有表面钝化层的AlN HEMT在静态栅极和漏极偏压分别为-6 V和20 V时显示出最小的电流崩塌。预计表面钝化后色散控制将进一步改善。最后，检查了不同沟道长度的器件的击穿情况，以探索射频功率放大的潜力。通过增加VDS直到发生灾难性击穿来测量击穿电压，同时将栅极电压设置在阈值电压以下。如图6所示，具有T形栅的亚微米沟道长度器件的平均击穿场强（Eavg）在没有场板的情况下超过了2 MV/cm，最高的Eavg和VBR分别为2.1 MV/cm和137 V，对应的LGD = 0.65 μm。具有矩形栅的长沟道器件的Eavg略低，可能是由于较高的栅极泄漏导致的过早击穿（原因仍在调查中）。T形栅器件的断态栅极泄漏电流（LG = 0.1 μm）约为5 × 10⁻⁶ A/mm，而矩形栅器件的泄漏电流（LG = 0.8 μm）约为1 × 10⁻⁴ A/mm。

图3 HEMT的转移特性，显示出峰值外部跨导为0.42 S/mm和阈值电压为-2 V。

图4 长沟道HEMT的输出特性（左图）以及具有T形栅的缩小型HEMT，分别显示出最大漏极电流密度为1.6 A/mm和2.85 A/mm。

图5 栅极偏压为-2 V、-1 V、0 V和1 V时，未进行表面钝化的HEMT的脉冲I-V特性。

图6 HEMT器件击穿电压与栅-漏极距离的关系。

原文源于【原文发表于IEEE 2024 Device Research Conference, College Park, MD, USA, 24-26 June 2024】

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来源： 奥趋光电

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