基于AlN單晶襯底的AlGaN溝道型MOSHFET最新進展

近期，美國南卡羅來納大學報道了在AlN單晶襯底上通過MOCVD生長的Al0.87Ga0.13N/Al0.64Ga0.36N金屬氧化物半導體異質結場效應晶體管（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，相較于其他半導體器件體現出顯著的熱電協同設計優勢，從而實現峰值漏極飽和電流由410mA/mm增加至610mA/mm，測試得的三端擊穿場強為3.7 MV/cm，是迄今為止AlxGa1-xN溝道型器件的最高水平，巴利加優值（BFOM）達到460MW/cm2。

寬禁帶III族氮化物高電子遷移率晶體管（HEMT）因為具有高通道遷移率和臨界擊穿場強及其帶來的高通道電流和緊湊型器件的大功率承載能力，已在全球范圍內廣泛應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的額外優勢，從而可實現更快的開關。寬禁帶III族氮化物的上述優勢已被用于制造更加高效的電力電子產品，如消費電子領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導致整體系統性能受到散熱能力的限制，例如電流衰減和過早失效，從而限制了寬禁帶III族氮化物功率器件的深度拓展。造成散熱問題的主要原因在于目前使用的低熱導率襯底材料（硅、藍寶石、Ga2O3等）的散熱能力不足。

超寬禁帶半導體AlN單晶襯底（禁帶寬度> 6eV）具有優異的熱導性和高溫穩定性，可使深度擴展的下一代緊湊型電源系統實現被動熱管理。除了熱效益外，AlN襯底還可實現AlxGa1-xN溝道型HEMT器件（Al組分> 60%，禁帶寬度> 4.5eV）的假晶外延層結構的生長。這種低位錯的假晶外延層結構理論上可以顯著降低柵極電流，從而提高器件的穩定性。

此項研究中，科研人員展示了在單晶AlN襯底上的假晶

Al0.87Ga0.13N/Al0.64Ga0.36N金屬氧化物半導體異質結場效應晶體管（MOSHFET）器件，其線性歐姆接觸通過反向組分梯度排列的AlxGa1-xN層和介電帽層實現，以消除過早的表面擊穿。這一創新使得MOSHFET器件的導通狀態峰值漏極電流密度達到610mA/mm（在+2V柵極偏壓下），通斷比（~107），柵極-漏極間距LGD=2.64μm器件的三端關閉狀態擊穿場強> 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測量結果

該MOSHFET器件的外延結構如圖1(a)所示。采用低壓金屬有機化學氣相沉積（LP-MOCVD）法在AlN單晶襯底上生長。該結構包括260nm的同質外延AlN層，隨后是140nm的i-Al0.87Ga0.13N背勢壘層、100nm的i-Al0.64Ga0.36N通道層和23nm的n-Al0.87Ga0.13N勢壘層。為了促進歐姆接觸的形成，在該結構上覆蓋了一層30nm的高硅摻雜的反向梯度AlxGa1-xN（x = 0.87→0.40）層。硅摻雜補償了反向漸變過程中極化產生的空穴。該器件的制造源于使用Cl2基的電感耦合等離子體反應蝕刻（ICP-RIE）進行臺面隔離。采用電子束蒸發法在源極/漏極觸點沉積了Zr/Al/Mo/Au（150/1000/400/300?）金屬層，然后在N2環境下進行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，柵極和探針板被電子束蒸發。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，通過等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）將器件嵌入400nm厚的SiO2薄膜中，以減輕擊穿電壓測量產生的表面電場。除AlN單晶襯底外，科研人員也通過在AlN/藍寶石（t=3μm）模板上沉積同樣的外延結構制造相同器件。

研究中，歐姆接觸的線性度是通過傳輸線模型（TLM）測量建立的。從中分別提取了AlN單晶襯底和AlN/藍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結果如圖1(b)所示。

圖2：(a) AlN單晶和(b)AlN/藍寶石上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寬度下測量。

傳輸（IDSvs VGS）和輸出（IDSvs VDS）特性使用參數分析儀測量。電容電壓（C-V）的測量使用HP4284A精密LCR計完成。所有的測量都是在沒有外部冷卻的晶圓上進行的（未封裝的器件）。圖2(a)和(b)分別顯示了AlN單晶基和AlN/藍寶石模板基AlGaN MOSHFET器件在柵極長度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，AlN單晶和AlN/藍寶石模板器件分別在峰值電流為610mA/mm和410mA/mm時觀察到明顯的飽和截斷。與基于AlN/藍寶石的MOSHFET相比，AlN單晶襯底上的MOSHFET在最高柵極和漏極電壓處沒有出現降溫，表明具備更好的熱管理性能。為了量化熱改進，科研人員測量了器件的熱阻抗（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/藍寶石）。由于接觸電阻和表面電阻幾乎與襯底類型無關，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單晶襯底的導熱系數比藍寶石基板高8倍。AlN襯底的這種同步設計改進使其相對于其他低導熱系數襯底材料如藍寶石、Ga2O3的優勢得以量化，如熱性能圖所示（TFOM）。

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

圖3比較了AlN單晶襯底和AlN/藍寶石模板上MOSHFET的傳遞曲線、跨導和柵漏電流。傳遞曲線數據中，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。這對于AlGaN基MOSHFET來說具有典型性。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/藍寶石模板）。圖3(a)、(b)還凸顯了VDS=25V時柵極電壓相關的跨導（gm）。單晶AlN在VG=-2.4V時的gm峰值為45mS/mm，AlN/藍寶石在VG=-9.3V時的gm峰值34mS/mm。AlN單晶襯底的跨導（gm=通道遷移率μn ×柵電容CG）峰值在更優的柵電壓（VG）處，與上文論述一致，即由于熱管理的改進，在AlN單晶襯底上可實現更高的電流。在藍寶石上，加熱抑制了通道的遷移，從而導致圖2(b)中的熱降。在單晶AlN上，熱這一瓶頸問題的解決使得器件在熱限制抑制跨導之前可實現更高的峰值電流。以下事實進一步支持了這一論斷，即兩種結構的柵極電容相似，因此通道遷移率是決定峰值附近跨導的主要因素。

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

對于C-V的測定，選擇柵極長度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，可以看出，在VG=0V時，載流子濃度為1.79×1013cm-2，與襯底無關。而測得的單晶AlN的通道電子遷移率~130 cm2V?1s?1，這解釋了進入區域和接觸電阻。

圖5：(a) VGS=-30V時單晶AlN上MOSHFET的三端擊穿，（插圖）器件擊穿后的顯微照片，(b)本文報導與其他文獻報導的所有超寬禁帶半導體AlGaN通道單晶AlN基和AlN/藍寶石基HEMT器件的IDS、max及擊穿場比較。圖中注明了通道組分。

最后，科研人員測試了MOSHFET在單晶AlN上的擊穿電壓，以量化其關閉狀態性能。當柵極-漏極間距為2.64μm時，VG=-30V下的三端擊穿電壓為VBR=959V，如圖5(a)。通過圖2(a)中的三極管區導通電阻，保守估計BFOM~460MW/cm2，包括圖1(b)中TLM圖的轉移長度（LT）的影響。鑒于TLM描述假設了一個各向同性的內面二維電子氣體（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時將BFOM > 750 MW/cm2設定為合理的上限。這比在AlN、Ga2O3和藍寶石襯底等類似幾何形狀（見表1）的同級別超寬禁帶半導體通道的其他結果高出約10倍，系目前的最高水準。對應于3.7MV/cm的平均擊穿場強（EC），測得的擊穿電壓為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的限制（如圖5(a)的顯微照片所示），且未來可以通過優化場板設計來解決這一問題。圖5(b)就該器件與其他報導中高質量超寬禁帶半導體AlGaN溝道場效應晶體管的峰值漏極飽和電流和擊穿場強進行了比較，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

結語：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的最先進性能。反向梯度接觸層使器件實現線性歐姆接觸，接觸電阻為4.3Ωmm。峰值漏極電流為610mA/mm（+2V柵偏壓），跨導為45mS/mm，通斷比為107，三端擊穿場強為3.7MV/cm（LGD=2.64μm下），是迄今為止此類器件報道的最高性能。通過與AlN/藍寶石襯底上相同器件的比較，證實了單晶AlN襯底基MOSHFET的熱阻抗降低了3倍，這是形成器件優越導態性能的最主要驅動因素。