近期，美國南卡羅來納大學(xué)報(bào)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(dǎo)體異質(zhì)結(jié)場效應(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，從而實(shí)現(xiàn)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(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://hljzzgx.com/tags/高通/" target="_blank">高通道遷移率和臨界擊穿場強(qiáng)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(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，從而可實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)。寬禁帶III族氮化物的上述優(yōu)勢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(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。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)場效應(yīng)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(shí)現(xiàn)，以消除過早的表面擊穿。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。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(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，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，以減輕擊穿電壓測量產(chǎn)生的表面電場。除AlN單晶襯底外，科研人員也通過在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(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寬度下測量。

傳輸（IDSvs VGS）和輸出（IDSvs VDS）特性使用參數(shù)分析儀測量。電容電壓（C-V）的測量使用HP4284A精密LCR計(jì)完成。所有的測量都是在沒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)?。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(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(shù)，可以看出，在VG=0V時(shí)，載流子濃度為1.79×1013cm-2，與襯底無關(guān)。而測得的單晶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(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的平均擊穿場強(qiáng)（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(luò)的限制（如圖5(a)的顯微照片所示），且未來可以通過優(yōu)化場板設(shè)計(jì)來解決這一問題。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溝道場效應(yīng)晶體管的峰值漏極飽和電流和擊穿場強(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：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。