近期，美國(guó)南卡羅來(lái)納大學(xué)報(bào)道了在AlN單晶襯底上通過(guò)MOCVD生長(zhǎng)的Al0.87Ga0.13N/Al0.64Ga0.36N金屬氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSHFET）器件。與相比之下，單晶AlN基器件的熱阻抗降至AlN/藍(lán)寶石基器件的1/3（從31K-mm/W壓降至10K-mm/W），與SiC和銅散熱器相當(dāng)，相較于其他半導(dǎo)體器件體現(xiàn)出顯著的熱電協(xié)同設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)峰值漏極飽和電流由410mA/mm增加至610mA/mm，測(cè)試得的三端擊穿場(chǎng)強(qiáng)為3.7 MV/cm，是迄今為止AlxGa1-xN溝道型器件的最高水平，巴利加優(yōu)值（BFOM）達(dá)到460MW/cm2。

寬禁帶III族氮化物高電子遷移率晶體管（HEMT）因?yàn)榫哂?a href="http://www.1cnz.cn/tags/高通/" target="_blank">高通道遷移率和臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)及其帶來(lái)的高通道電流和緊湊型器件的大功率承載能力，已在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用于各類電力電子器件。緊湊型器件還具有減少電容和其他寄生效應(yīng)的額外優(yōu)勢(shì)，從而可實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)。寬禁帶III族氮化物的上述優(yōu)勢(shì)已被用于制造更加高效的電力電子產(chǎn)品，如消費(fèi)電子領(lǐng)域的充電器和下一代新能源汽車。然而，功率密度的增加也會(huì)導(dǎo)致整體系統(tǒng)性能受到散熱能力的限制，例如電流衰減和過(guò)早失效，從而限制了寬禁帶III族氮化物功率器件的深度拓展。造成散熱問(wèn)題的主要原因在于目前使用的低熱導(dǎo)率襯底材料（硅、藍(lán)寶石、Ga2O3等）的散熱能力不足。

超寬禁帶半導(dǎo)體AlN單晶襯底（禁帶寬度> 6eV）具有優(yōu)異的熱導(dǎo)性和高溫穩(wěn)定性，可使深度擴(kuò)展的下一代緊湊型電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被動(dòng)熱管理。除了熱效益外，AlN襯底還可實(shí)現(xiàn)AlxGa1-xN溝道型HEMT器件（Al組分> 60%，禁帶寬度> 4.5eV）的假晶外延層結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)。這種低位錯(cuò)的假晶外延層結(jié)構(gòu)理論上可以顯著降低柵極電流，從而提高器件的穩(wěn)定性。

此項(xiàng)研究中，科研人員展示了在單晶AlN襯底上的假晶

Al0.87Ga0.13N/Al0.64Ga0.36N金屬氧化物半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSHFET）器件，其線性歐姆接觸通過(guò)反向組分梯度排列的AlxGa1-xN層和介電帽層實(shí)現(xiàn)，以消除過(guò)早的表面擊穿。這一創(chuàng)新使得MOSHFET器件的導(dǎo)通狀態(tài)峰值漏極電流密度達(dá)到610mA/mm（在+2V柵極偏壓下），通斷比（~107），柵極-漏極間距LGD=2.64μm器件的三端關(guān)閉狀態(tài)擊穿場(chǎng)強(qiáng)> 3.7 MV/cm。

圖1：(a)高Al組分Al0.64Ga0.36N溝道型MOSHFET示意圖，

(b) AlN單晶襯底基器件（W=200μm，接觸間距為4 ~16μm）的TLM測(cè)量結(jié)果

該MOSHFET器件的外延結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。采用低壓金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（LP-MOCVD）法在AlN單晶襯底上生長(zhǎng)。該結(jié)構(gòu)包括260nm的同質(zhì)外延AlN層，隨后是140nm的i-Al0.87Ga0.13N背勢(shì)壘層、100nm的i-Al0.64Ga0.36N通道層和23nm的n-Al0.87Ga0.13N勢(shì)壘層。為了促進(jìn)歐姆接觸的形成，在該結(jié)構(gòu)上覆蓋了一層30nm的高硅摻雜的反向梯度AlxGa1-xN（x = 0.87→0.40）層。硅摻雜補(bǔ)償了反向漸變過(guò)程中極化產(chǎn)生的空穴。該器件的制造源于使用Cl2基的電感耦合等離子體反應(yīng)蝕刻（ICP-RIE）進(jìn)行臺(tái)面隔離。

采用電子束蒸發(fā)法在源極/漏極觸點(diǎn)沉積了Zr/Al/Mo/Au（150/1000/400/300?）金屬層，然后在N2環(huán)境下進(jìn)行30秒950℃的快速退火熱處理。然后采用ICP-RIE蝕刻法在通路區(qū)除去AlxGa1-xN反向組分梯度層，并沉積10nm的SiO2作為柵氧化層。接下來(lái)，柵極和探針板被電子束蒸發(fā)。柵極和探針金屬層分別由Ni/Au（1000/2000?）和Ti/Ni/Au （500/700/1500?）組成。最后，通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）將器件嵌入400nm厚的SiO2薄膜中，以減輕擊穿電壓測(cè)量產(chǎn)生的表面電場(chǎng)。除AlN單晶襯底外，科研人員也通過(guò)在AlN/藍(lán)寶石（t=3μm）模板上沉積同樣的外延結(jié)構(gòu)制造相同器件。

研究中，歐姆接觸的線性度是通過(guò)傳輸線模型（TLM）測(cè)量建立的。從中分別提取了AlN單晶襯底和AlN/藍(lán)寶石模板上器件的接觸電阻4.3Ω-mm（~7.7×10-5Ωcm2）和4.7Ω-mm（~9.7×10-5Ωcm2）和表面電阻2400Ω/sq和2282Ω/sq。AlN單晶襯底基器件的TLM結(jié)果如圖1(b)所示。

圖2：(a) AlN單晶和(b)AlN/藍(lán)寶石上Al0.87Ga0.13N/Al0.64Ga0.36N MOSHFET的IDSvs VDS。(LSD=6μm，LG=1.8μm)。(c)這些相同MOSHFET器件的溫升與功率密度的比較，在12μm TLM間距和200μm寬度下測(cè)量。

傳輸（IDSvs VGS）和輸出（IDSvs VDS）特性使用參數(shù)分析儀測(cè)量。電容電壓（C-V）的測(cè)量使用HP4284A精密LCR計(jì)完成。所有的測(cè)量都是在沒(méi)有外部冷卻的晶圓上進(jìn)行的（未封裝的器件）。圖2(a)和(b)分別顯示了AlN單晶基和AlN/藍(lán)寶石模板基AlGaN MOSHFET器件在柵極長(zhǎng)度LG=1.8μm，柵極到源極距離LGS=1.2μm，柵極到漏極距離LGD=2.64μm下的輸出特性。在VG=+2V和VD=30V時(shí)，AlN單晶和AlN/藍(lán)寶石模板器件分別在峰值電流為610mA/mm和410mA/mm時(shí)觀察到明顯的飽和截?cái)唷?br />
與基于AlN/藍(lán)寶石的MOSHFET相比，AlN單晶襯底上的MOSHFET在最高柵極和漏極電壓處沒(méi)有出現(xiàn)降溫，表明具備更好的熱管理性能。為了量化熱改進(jìn)，科研人員測(cè)量了器件的熱阻抗（RTH）。圖2(c)顯示熱阻抗分別為10K-mm/W（AlN單晶襯底）和31K-mm/W（AlN/藍(lán)寶石）。由于接觸電阻和表面電阻幾乎與襯底類型無(wú)關(guān)，器件熱阻抗3倍的差異是單晶AlN基器件的峰值漏極電流密度顯著提高的主要誘因，其根源在于AlN單晶襯底的導(dǎo)熱系數(shù)比藍(lán)寶石基板高8倍。AlN襯底的這種同步設(shè)計(jì)改進(jìn)使其相對(duì)于其他低導(dǎo)熱系數(shù)襯底材料如藍(lán)寶石、Ga2O3的優(yōu)勢(shì)得以量化，如熱性能圖所示（TFOM）。

圖3：(a) AlN單晶襯底和(b) AlN/藍(lán)寶石模板上的MOSHFET在VDS=25V下的轉(zhuǎn)移特性和跨導(dǎo)。(c)兩個(gè)器件的歸一化柵漏(IG)。

圖3比較了AlN單晶襯底和AlN/藍(lán)寶石模板上MOSHFET的傳遞曲線、跨導(dǎo)和柵漏電流。傳遞曲線數(shù)據(jù)中，兩種不同襯底類型上的器件顯示出了相近的通斷比~ 3.6×107和~ 2×107。這對(duì)于AlGaN基MOSHFET來(lái)說(shuō)具有典型性。由于兩種襯底上的器件都具有SiO2柵極絕緣體，因此可以忽略反向柵極泄漏電流的差異。然而，基于AlN/藍(lán)寶石模板的MOSHFET在正柵極電壓下的柵極漏電流明顯更高。圖3(a) 、(b)獲得了幾乎相同的閾值電壓（VTH）-16.9V（單晶AlN）和-17.3V（AlN/藍(lán)寶石模板）。圖3(a)、(b)還凸顯了VDS=25V時(shí)柵極電壓相關(guān)的跨導(dǎo)（gm）。單晶AlN在VG=-2.4V時(shí)的gm峰值為45mS/mm，AlN/藍(lán)寶石在VG=-9.3V時(shí)的gm峰值34mS/mm。

AlN單晶襯底的跨導(dǎo)（gm=通道遷移率μn ×柵電容CG）峰值在更優(yōu)的柵電壓（VG）處，與上文論述一致，即由于熱管理的改進(jìn)，在AlN單晶襯底上可實(shí)現(xiàn)更高的電流。在藍(lán)寶石上，加熱抑制了通道的遷移，從而導(dǎo)致圖2(b)中的熱降。在單晶AlN上，熱這一瓶頸問(wèn)題的解決使得器件在熱限制抑制跨導(dǎo)之前可實(shí)現(xiàn)更高的峰值電流。以下事實(shí)進(jìn)一步支持了這一論斷，即兩種結(jié)構(gòu)的柵極電容相似，因此通道遷移率是決定峰值附近跨導(dǎo)的主要因素。

圖4：(a) 100μm柵極TLM（GTLM）在1MHz時(shí)的電容電壓特性，(b)單晶AlN和AlN/藍(lán)寶石模板上MOSHFET的NS和μVG相關(guān)性。

對(duì)于C-V的測(cè)定，選擇柵極長(zhǎng)度LG=100μm，柵極寬度W=200μm的大面積器件，獲得如圖4(a)所示的可測(cè)量電容值。這里的VTH與圖3傳輸特性中的VTH非常一致。從圖4(a)中提取載流子濃度，并將其繪制在圖4(b)中作為柵極電壓的函數(shù)，可以看出，在VG=0V時(shí)，載流子濃度為1.79×1013cm-2，與襯底無(wú)關(guān)。而測(cè)得的單晶AlN的通道電子遷移率~130 cm2V?1s?1，這解釋了進(jìn)入?yún)^(qū)域和接觸電阻。

圖5：(a) VGS=-30V時(shí)單晶AlN上MOSHFET的三端擊穿，（插圖）器件擊穿后的顯微照片，(b)本文報(bào)導(dǎo)與其他文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的所有超寬禁帶半導(dǎo)體AlGaN通道單晶AlN基和AlN/藍(lán)寶石基HEMT器件的IDS、max及擊穿場(chǎng)比較。圖中注明了通道組分。

最后，科研人員測(cè)試了MOSHFET在單晶AlN上的擊穿電壓，以量化其關(guān)閉狀態(tài)性能。當(dāng)柵極-漏極間距為2.64μm時(shí)，VG=-30V下的三端擊穿電壓為VBR=959V，如圖5(a)。通過(guò)圖2(a)中的三極管區(qū)導(dǎo)通電阻，保守估計(jì)BFOM~460MW/cm2，包括圖1(b)中TLM圖的轉(zhuǎn)移長(zhǎng)度（LT）的影響。鑒于TLM描述假設(shè)了一個(gè)各向同性的內(nèi)面二維電子氣體（2DEG），而這在退火歐姆接觸下是不可能的，因此我們可以在LT=0時(shí)將BFOM > 750 MW/cm2設(shè)定為合理的上限。

這比在AlN、Ga2O3和藍(lán)寶石襯底等類似幾何形狀（見(jiàn)表1）的同級(jí)別超寬禁帶半導(dǎo)體通道的其他結(jié)果高出約10倍，系目前的最高水準(zhǔn)。對(duì)應(yīng)于3.7MV/cm的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)（EC），測(cè)得的擊穿電壓為959V。這仍然是Al0.64Ga0.36N通道器件約10.0MV/cm理論極限的1/3，并且主要受到表面閃絡(luò)的限制（如圖5(a)的顯微照片所示），且未來(lái)可以通過(guò)優(yōu)化場(chǎng)板設(shè)計(jì)來(lái)解決這一問(wèn)題。圖5(b)就該器件與其他報(bào)導(dǎo)中高質(zhì)量超寬禁帶半導(dǎo)體AlGaN溝道場(chǎng)效應(yīng)晶體管的峰值漏極飽和電流和擊穿場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行了比較，展示了AlN單晶襯底上反向漸變組分接觸層高Al組分MOSHFET的前景。

表1：代表性同類器件的BFOM比較

結(jié)語(yǔ)：本文在AlN單晶襯底上展示了高Al組分AlxGa1-xN（x=0.64）溝道型MOSHFET的最先進(jìn)性能。反向梯度接觸層使器件實(shí)現(xiàn)線性歐姆接觸，接觸電阻為4.3Ωmm。峰值漏極電流為610mA/mm（+2V柵偏壓），跨導(dǎo)為45mS/mm，通斷比為107，三端擊穿場(chǎng)強(qiáng)為3.7MV/cm（LGD=2.64μm下），是迄今為止此類器件報(bào)道的最高性能。通過(guò)與AlN/藍(lán)寶石襯底上相同器件的比較，證實(shí)了單晶AlN襯底基MOSHFET的熱阻抗降低了3倍，這是形成器件優(yōu)越導(dǎo)態(tài)性能的最主要驅(qū)動(dòng)因素。

譯改自原文：Al0.64Ga0.36N Channel MOSHFET on Single Crystal Bulk AlN Substrate

原文作者：Abdullah Mamun*, Kamal Hussain, Richard Floyd, MD Didarul Alam, MVS Chandrashekhar, Grigory Simin, and Asif Khan

Department of Electrical Engineering, University of South Carolina, Columbia, SC29208, U.S.A.

原文發(fā)表于：The Japan Society of Applied Physics

原文鏈接：https://doi.org/10.35848/1882-0786/acd5a4

DOI 10.35848/1882-0786/acd5a4






審核編輯：劉清