更薄的IIIA族氮化物結(jié)構(gòu)

隨著社會的不斷進步，技術(shù)的不斷發(fā)展，科技產(chǎn)品也日新月異，產(chǎn)品都需要功率器件，好的功率器件需要更好的設(shè)計者來設(shè)計，功率器件對電子產(chǎn)品是功不可沒的。瑞典的研究人員在碳化硅(SiC)上生長出更薄的IIIA族氮化物結(jié)構(gòu)，以期實現(xiàn)高功率和高頻薄層高電子遷移率晶體管(T-HEMT)和其他器件。

從圖1可以看出，新結(jié)構(gòu)采用高質(zhì)量的60nm無晶界氮化鋁(AlN)成核層，而不是大約1-2μm厚的氮化鎵(GaN)緩沖層，以避免大面積擴展缺陷。 成核層允許高質(zhì)量的GaN在0.2μm的厚度內(nèi)生長。

圖1：(a)常規(guī)和(b)低TBR AlN成核，沿GaN / AlN / SiC界面沿[11-20]方向的橫截面TEM圖像。 (c)GaN /低TBR AlN NL / SiC的HRTEM圖像。(d)GaN /低TBR AlN NL界面處的HRTEM。(e)低TBR AlN NL / SiC界面處HRTEM圖像。

正常厚度的緩沖層用于轉(zhuǎn)變和降低由于GaN和SiC之間3.5%晶格失配所引起的缺陷。需注意的是GaN與藍寶石和硅等其他襯底的失配率要高得多。這樣的緩沖層會為高功率和高頻器件帶來許多問題。這些層通常會摻雜碳或鐵以增加電阻，目的是將電流限制在溝道區(qū)域，避免寄生傳導(dǎo)的泄漏效應(yīng)。這些摻雜無會產(chǎn)生電荷俘獲狀態(tài)，這可能導(dǎo)致其對性能的負面影響，例如射頻操作中的電流崩潰。

另外，較薄的器件還應(yīng)具有較低的熱阻，從而改善熱管理。來自SweGaN AB，查爾姆斯理工大學(xué)和林雪平大學(xué)的團隊評論說：“GaN / AlN / SiC界面產(chǎn)生的空洞和位錯等結(jié)構(gòu)缺陷會引入熱邊界電阻(TBR)，導(dǎo)致HEMT中通道溫度升高30-40% 。”

降低昂貴材料的需求量是該項工作的另一個亮點。據(jù)研究人員估計，包括前體和氣體在內(nèi)的原材料需求量將降低90%，同時由于所需的生長時間縮短，處理成本也隨之降低。

新的AlN成核工藝避免了導(dǎo)致柱狀生長的顆粒狀形態(tài)的產(chǎn)生——造成的這種缺陷會被帶入覆蓋的GaN中。 通常情況下，顆粒形態(tài)的產(chǎn)生是由于生長表面上鋁原子的低遷移率造成的。

IIIA氮化物材料在硅面4H-SiC上生長。 熱壁金屬有機化學(xué)氣相沉積法(MOCVD)用于制造具有60nm AlN成核，200nm GaN溝道，高達1.5nm的AlN中間層，10-14nm AlGaN勢壘(～30%Al)的外延結(jié)構(gòu)， 和2nm GaN蓋帽層。 采用低熱邊界電阻(低TBR)技術(shù)生產(chǎn)的60nm AlN可由熱壁生長實現(xiàn)。

盡管結(jié)構(gòu)厚度更薄，但在低108 /cm-2范圍內(nèi)的穿透位錯密度比具有相同厚度的典型GaN層低兩個數(shù)量級，研究人員如此估計。在具有2nm GaN帽和14nm Al0.29Ga0.71N勢壘的結(jié)構(gòu)上的非接觸式霍爾測量得到9.8×10 12/cm 2的二維電子氣(2DEG)密度和2050cm 2 / V-s遷移率。 薄層電阻為315Ω/m2。

測試T-HEMT是在具有2nm GaN帽，10nm Al0.3Ga0.7N勢壘和1nm AlN中間層的材料上制備的。 基于鉭的觸點用于源極/漏極，接觸電阻為0.3Ω-mm。

圖2：(a)直流漏極電流 - 電壓(IDS-VDS)特性，(b)傳輸特性以及10V漏極偏置(VDS)下的柵極和漏極電流與柵極電壓(VGS)的函數(shù)關(guān)系，(c)跨導(dǎo)( gm)作為柵極電位的函數(shù)，和(d)作為T-HEMT的VDSQ的函數(shù)的射頻輸出功率密度。 (e)沒有頂部活性層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的垂直和側(cè)向擊穿特性。

該器件實現(xiàn)了1.1A / mm的高導(dǎo)通電流密度和1.3Ω-mm的低歸一化導(dǎo)通電阻。(圖2)飽和電流可維持高達30V的漏極偏壓。采用10V漏極偏壓時，夾斷很明顯，跨導(dǎo)達到500mS / mm。 閾值擺幅取決于柵極長度：0.1μm為250mV / decade，0.2μm為130mV / decade。 對于0.1μm和0.2μm的柵極，擊穿電壓分別為70V和140V。

研究人員表明“擊穿電壓和柵極長度之間的線性關(guān)系表明，由于柵極長度和柵極 - 漏極間距的限制，擊穿是橫向發(fā)生的。”

柵極 - 漏極間距為2μm，遠遠低于通常用于GaN HEMT的通常10-20μm，目的是為了提高功率性能。而傳統(tǒng)的GaN功率HEMT具有微米級的柵極長度。

30GHz時的負載牽引測量在40V漏極 - 源極靜態(tài)偏置(VDSQ)下產(chǎn)生5.8W / mm的峰值射頻功率密度。

在沒有上AlN / AlGaN層的外延疊層上的擊穿測量在橫向和垂直方向上產(chǎn)生高達1.5kV擊穿電壓。 該團隊說：“在這兩種情況下，擊穿是由于觸點的不良劃定。 因此，預(yù)期堆疊的實際擊穿電壓會更高。也就是說，擊穿受表面限制，并證實沒有界面載體。”以上就是功率器件的一些相關(guān)知識，功率器件不斷發(fā)展，這就需要我們的科研人員的不斷努力，推動技術(shù)不斷發(fā)展，讓我們的電子產(chǎn)品更加高效。