摘要

实现高导通电流（ID,MAX）与低导通电阻（RON）是富铝 AlxGa1−xN 等超宽禁带（UWBG）半导体材料面临的核心挑战。本工作展示了基于 UWBG
Al0.85Ga0.15N/Al0.65Ga0.35N 沟道高电子迁移率晶体管（HEMT）的先进性能，在源漏间距 LSD = 10 μm 条件下，ID,MAX 与 RON 分别达到 450 mA/mm 和 30.5 Ω·mm。我们首次实现了反梯度 AlxGa1−xN 异质结构欧姆接触的微观成像，并制备出巴利加优值（BFOM）高达 629 MW/cm2 的高性能功率晶体管。此外，我们系统表征了该器件结构在 150 °C 高温下的击穿特性，结果表明其在保持高击穿电压的同时，RON 仅有轻微退化。上述成果充分展现了 AlxGa1−xN 沟道 HEMT 在高压、高温功率电子应用中的巨大潜力。

1 引言

以AlGaN沟道高电子迁移率晶体管(HEMT)为代表的超宽禁带(UWBG)器件，是下一代高压功率开关的有力竞争者。得益于对冲击电离诱发击穿的强耐受能力，UWBG材料的临界电场(EC

∝

)呈指数级提升。此外，由于本征电子与空穴浓度的增幅极小，超宽禁带特性亦使其成为构建高温电子器件的理想选择。近年来，AlGaN沟道器件在击穿场强方面取得了显著进展：Khachariya等人在AlN单晶衬底上实现了>10 MV/cm的超高台面击穿场强；Shin等人与Bajaj等人的研究表明，等比例缩小的AlGaN沟道HEMT临界电场可达3.5 MV/cm以上；Gohel等人基于AlN单晶衬底，结合SiN钝化与场板技术，实现了2.2 MV/cm的击穿场强，并在蓝宝石衬底上获得了>400 MW/cm

2的巴利加优值。近期，Shin等人更是报道了>4 MV/cm的超大击穿场强及960 mA/mm的导通电流，尽管该成果依赖于梯度极化沟道结构，而非传统的突变异质结器件。

实现高电流密度（ID,MAX）与低导通电阻（RON）一直是AlGaN沟道异质结晶体管面临的关键瓶颈，导致其击穿性能虽令人瞩目，但在VBR/RON权衡特性上仍滞后于GaN HEMT。由于三元合金散射导致沟道迁移率较低，器件方块电阻普遍高于3 kΩ/□。此外，低电阻率欧姆接触亦是AlGaN沟道HEMT长期存在的工艺难点。尽管Maeda等人已成功验证了n++ GaN再生长接触技术，但该方法在Al组分超过50%的AlGaN沟道中尚未取得突破。目前，针对富铝（Al > 60%）AlGaN材料的低阻欧姆接触主要依赖于反梯度重掺杂接触层实现。然而，接触金属在形成欧姆特性中的微观作用机制尚不明晰，这限制了低接触电阻金属化方案的优化设计。

AlGaN沟道HEMT的高温性能亦得到了广泛研究：直流特性表征已延伸至500 °C，近期更突破至850 °C；Chen等人[10]亦报道了其在150 °C下的射频性能。然而，目前尚无关于AlGaN沟道HEMT高温关态击穿特性的报道。鉴于功率开关应用中的沟道温度常超过150 °C，开展高温关态击穿研究对于评估器件可靠性至关重要。

本工作展示了超宽禁带AlGaN沟道MOS-HEMT创纪录的ID,MAX与RON性能。通过扫描透射电子显微镜（STEM）成像，阐明了退火后Ti/Al/Ni/Au欧姆接触的微观形成机制，并系统表征了AlGaN沟道HEMT在150 °C高温下的击穿特性。上述成果充分彰显了AlGaN沟道HEMT在大电流、高温应用的下一代半导体功率晶体管领域的巨大潜力。

2 器件结构与实验

本实验采用MOCVD生长的外延结构，具体组成为：首先在AlN-on-sapphire 4英寸模板上生长50 nm厚的反梯度Al0.85Ga0.15N至Al0.2Ga0.8N层（硅掺杂浓度约2×101⁹ cm⁻3），随后依次为硅掺杂Al0.85Ga0.15N势垒层（载流子浓度5×101⁸ cm⁻3）、非故意掺杂（UID）Al0.65Ga0.35N沟道层及Al0.85Ga0.15N背势垒层[图1(a)]。该背势垒层在提供强垂直电子限制的同时，有效抑制了背向耗尽效应。一维仿真结果表明，
Al0.85Ga0.15N/Al0.65Ga0.35N异质结处存在二维电子气（2DEG），其面电荷密度高达1.1×1013 cm⁻2[图1(b)]，相关细节将结合霍尔测试结果进行讨论。器件制备流程如下：首先通过电子束蒸发沉积接触金属层（Ti/Al/Ni/Au，厚度依次为20/120/30/100 nm），随后在N₂氛围下经900 °C快速热退火30 s以形成欧姆接触（具体优化工艺将在后文详述）。接着采用ICP-RIE氯基干法刻蚀实现器件隔离，并通过电子束蒸发沉积Ni/Au/Ni接触焊盘。在介质层沉积前，利用第二次ICP-RIE刻蚀去除有源区内的梯度AlGaN层。随后在250 °C下通过等离子体增强原子层沉积（PEALD）生长20 nm厚Al₂O₃作为栅介质层，并沉积Ni/Au/Ni栅金属。最后，通过第三次ICP-RIE刻蚀打开接触焊盘窗口。本工作所有晶体管的源栅间距LSG与栅长LGATE均固定为2 μm，源漏间距LSD分别为10、16及22 μm，栅宽统一为20 μm。

图1. (a) MOCVD生长的AlGaN层结构示意图。高掺杂反梯度层（RGL）有助于欧姆接触的形成。(b) AlGaN异质结构的一维能带图。(c) 接触退火温度的优化曲线，表明在900 °C、N₂氛围下退火30 s后可形成良好欧姆特性。(d) 采用圆形传输线模型（CTLM）结构提取的方块电阻与接触电阻；插图为电极间距5～35 μm的I–V曲线，均呈现出显著的欧姆特性。

在刻蚀去除金属接触间50 nm厚的反梯度层后，通过圆形传输线模型（TLM）对MOCVD外延层的方块电阻（Rsh）与接触电阻（Rc）进行了表征。测试获得了线性欧姆接触 [图1(c)]，其方块电阻较低，为2538 Ω/□，接触电阻适中，为3.7 Ω·mm [图1(d)]；而在刻蚀反梯度层后，方块电阻与接触电阻分别微增至2663 Ω/□ 和 4.6 Ω·mm [图1(d)]。霍尔测试结果表明，去除反梯度层后，二维电子气（2DEG）迁移率为150 cm2/(V s)，载流子浓度为1.5×1013 cm⁻2。这表明，本工作实现的低方块电阻得益于在保持合理迁移率的同时获得了更高的载流子浓度。作为对比，Gohel等人报道了相似的2DEG迁移率（155 cm2/(Vs)），但其在氮化铝单晶衬底上的2DEG密度低50%（1×1013 cm⁻2），对应方块电阻约为4000 Ω/□。

为实现Ti/Al/Ni/Au金属化体系的线性欧姆接触，本研究开展了变温退火实验 [图1(c)]。结果表明，750 °C退火30 s形成导电性最强的肖特基接触，而900 °C退火30 s则呈现欧姆特性。目前普遍认为，TiN“钉扎”效应（建立电极与2DEG的直接连接）或空位形成诱导的n型掺杂，是AlGaN欧姆接触形成的两种潜在机制。本实验中两种最高电导率状态似乎恰好对应上述两种理论：高温退火更利于金属向深层扩散，而低温退火则更易与表层低Al组分的AlGaN区域形成良好接触。为深入阐明接触形成机制，采用扫描透射电子显微镜（STEM）对接触界面进行了表征 [图2(a)]。有趣的是，显微图像显示在上述两种条件下，欧姆金属层均未穿透至与2DEG直接接触。这表明，AlGaN HEMT异质结中无需依赖2DEG钉扎效应即可形成欧姆接触，而后者正是GaN HEMT中欧姆接触的主导机制。首先分析750 °C退火样品：EDS结果表明，TiN在反梯度层中呈弥散分布 [图2(b)–2(e)]，且大量Au原子亦掺入接触层。相比之下，900 °C退火样品 [图3(a)] 的EDS分析同样检测到显著的TiN生成 [图2(c)–2(f)]，但表现出若干显著差异特征。

首先，与750 °C退火样品相比，900 °C条件下形成的TiN层形貌呈显著的“块状”结构，且在观测区域内横向厚度更为均匀。此外，尽管TiN层距2DEG仍较远，但其纵向渗透深度较750 °C样品明显增加。上述现象与高温退火提供的额外热能密切相关：热能增强金属在AlGaN合金中的扩散能力，并促进接触层中TiN形成所必需的氮空位生成过程。两种退火条件下均观察到Au向接触区域扩散的现象。然而，基于现有文献，Au在接触层中的具体作用尚不明晰。已有研究指出，Au理论上易形成高阻金属间化合物（在GaN器件研究中常被称为“紫斑”），因而通常需引入Ni扩散势垒层以抑制其负面影响。

图2. (a) STEM图像，展示了750 °C退火后欧姆金属化结构及外延层的整体形貌。EDS面扫描图像[(b)–(e)]表明接触区域已形成TiN，并伴有Au向接触层内的显著扩散。

图3. (a) STEM图像，展示了外延层整体形貌及欧姆金属化结构。(b) 反梯度AlGaN层的STEM图像。EDS面扫描图像[(c)–(f)]表明，接触层内部约15 nm深处已形成TiN。

图4. (a) LGD = 6 μm器件的转移特性曲线，其ION/IOFF电流开关比高达10⁸。(b) LGD = 6 μm器件的输出特性曲线，显示导通电阻RON为30.5 Ω·mm。本工作展示了高Al组分晶体管在标称LSD下的极高导通电流(c)与极低导通电阻(d)。

然而，亦有研究指出Al₂Au与AlAu₄相有助于提升AlGaN合金的电导率。基于当前实验数据，尚难明确Au的具体作用机制：尽管900 °C退火会促进Au向AlGaN外延层扩散，但900 °C下接触性能的改善亦可能源于TiN形成的优化。综合来看，本工作实现的低阻欧姆接触与低方块电阻，有效提升了晶体管级的电流密度与导通性能。制备的LGD = 6 μm器件的转移特性曲线显示，其开关电流比优于10⁸，且漏致势垒降低效应可忽略不计[图4(a)]。通过线性截距法提取的阈值电压为−12 V，器件呈耗尽型工作模式。输出特性曲线显示RON为30.5 Ω·mm[图4(b)]；在VDS = 20 V、VGS = 0 V条件下，器件最大漏极电流IDS,MAX超过450 mA/mm[图4(b)]。对标分析表明，在标称LSD条件下，本工作实现的电流密度与导通电阻性能均处于AlGaN HEMT的领先水平[图4(c)和4(d)]。

3 高温器件测试

本研究对MOS-HEMT的直流特性在25 °C至200 °C温度范围内进行了系统表征。结果显示，相较于25 °C，200 °C下器件阈值电压正向漂移约2.5 V[图5(a)]。该漂移可能源于高温下Ni/Au栅金属的“栅 sinking”（金属向势垒层扩散），或外延层热膨胀引起的2DEG浓度变化，具体机制尚需进一步实验验证。值得注意的是，当温度回落至室温后，VT的漂移量得以保持，这为栅金属扩散机制提供了佐证。VT升高是导致器件电流下降的因素之一[图5(b)]。为厘清性能退化的物理根源，采用传输线模型（TLM）对金属接触进行了变温测试，结果表明200 °C下方块电阻RSH增加约30%，而接触电阻RC基本保持不变[图5(c)]。相较于GaN技术（200 °C下方块电阻较25 °C增大3倍），上述结果彰显了UWBG AlGaN器件在高温电子学应用中的潜力。然而，对器件导通电阻随温度变化的对标分析显示[图5(d)]，在相同栅过驱动电压下，200 °C时的导通电阻恶化约42%。CTLM测得的RSH变化与器件RON变化之间的偏差，可能源于介质层相关的热激活陷阱效应；需指出的是，用于高温表征的TLM结构取自未沉积PEALD Al₂O₃钝化层的额外外延片。

图5. (a) LGD = 6 μm MOS-HEMT的转移特性曲线（温度范围：25 °C～200 °C）。(b) LGD = 6 μm MOS-HEMT的输出特性曲线，显示导通电阻RON随温度升高而增大，这主要归因于方块电阻Rsh的退化及潜在的热激活陷阱机制。(c) 方块电阻Rsh与接触电阻Rc随温度（最高200 °C）的变化趋势。(d) 不同温度下的导通电阻对标分析，已考虑归一化栅过驱动电压（VOV = VGS − VTH）的影响。(e) 不同沟道长度器件在150 °C高温下仍保持高击穿电压特性。

图6. (a) LGD = 18 μm器件的关态击穿特性曲线。结果表明，150 °C下击穿电压与室温相比基本持平，但关态漏电流显著增大。关态测试期间栅极偏压设为−20 V。(b) 本工作与现有AlGaN器件文献的室温巴利加优值（BFOM）对标分析。钝化类型标注如下：TP（厚钝化层 ≥100 nm）、THP（薄钝化层 ≤100 nm）及UP（未钝化）。(c) 本工作器件在25 °C与150 °C下的性能对标分析。

图7. (a) AlGaN沟道外延结构中电流崩塌的潜在机制，主要包括表面态陷阱、缓冲层陷阱及羟基基团对AlGaN表面的影响。(b) LGD = 6 μm器件的脉冲I–V测试曲线。测试条件为：脉冲宽度300 ns，关态栅偏压−15 V，漏极偏压18 V。

采用Cascade高压探针台开展了变温关态击穿测试，最高测试电压达3 kV；测试过程中器件浸没于Fluorinert FC70液中以防止空气击穿。结果表明，在150 °C下，所有LSD器件的平均击穿电压均超过1 kV[图5(e)]。分析关态漏电流曲线[图6(a)]发现，尽管击穿电压与25 °C时相近，但关态漏电流显著增大。这揭示了反梯度重掺杂AlGaN HEMT结构在超高温电子应用中的潜在局限：势垒层内Si施主的热激活效应导致总漏电流（栅极及源漏电流之和）增加，进而可能诱发击穿电压退化。然而，要确证高温击穿性能退化源于此机制，尚需开展更系统的对比实验，例如研究不同势垒掺杂浓度外延结构的击穿特性。尽管如此，本实验表明，在典型器件工作温度范围内，击穿电压仍足以支撑650 V～1 kV的高压应用。

本工作实现的低RON与高击穿电压，使得器件在25 °C下的巴利加优值（BFOM）最高达629 MW/cm2[图6(b)]，在150 °C下仍保持348 MW/cm2[图6(c)]。比导通电阻按RON × (LSD + 2LT)计算。在150 °C性能对标分析[图6(c)]中，我们仅对功率优值等高线图中的迁移率参数进行了修正。

钝化层亦是影响器件性能的关键因素，因为AlGaN势垒表面的表面态会显著影响器件动态导通电阻及击穿特性。电流崩塌现象至少存在三种潜在机制[图7(a)]：一是表面态诱导的“虚拟栅”效应，耗尽访问区（Access Region）内的2DEG；二是大气化学基团（如羟基）与AlGaN表面的相互作用；三是外延模板层相关的陷阱效应。本工作采用300 ns脉冲宽度，在栅偏压−15 V、漏极偏压18 V条件下进行了脉冲I–V测试[图7(b)]。结果显示，即便存在钝化层，本工作器件仍表现出显著的电流崩塌及动态导通电阻退化。既往研究表明，GaN HEMT中较薄的ALD钝化层即可有效钝化表面态，且在本实验施加的较低关态电场下，外延层内部出现显著陷阱效应亦不符合预期。因此，我们推测动态性能不佳主要归因于PEALD Al₂O₃钝化层的疏水性较差，使其易受大气粒子基团影响而发生电流崩塌。后续可通过水接触角测试进一步量化验证该机理。此外，工艺过程中反梯度层的刻蚀步骤对器件表面造成的额外损伤，也可能加剧了电流崩塌现象。

尽管本工作采用的钝化方案尚非最优，但所实现的击穿场强（LGD = 6 μm时达2.67 MV/cm）仍极具应用前景。本工作展示的高ID,MAX与低RON特性，可结合高合成温度介质层（如LPCVD与外延溅射介质）及优化钝化工艺，以进一步提升脉冲I–V特性与高温工作性能。

本工作展示了具有高电流密度的AlGaN沟道MOS-HEMT，阐明了AlGaN欧姆接触的微观形成机制，并系统表征了千伏级器件在高温关态击穿条件下的性能。上述研究成果充分彰显了超宽禁带AlGaN沟道HEMT在下一代功率开关应用中的巨大潜力。

译自原文
High current density and low on-resistance in ultra-wide bandgap Al0.65Ga0.35N-channel MOS-HEMTs for kV power switching

原文链接

https://doi.org/10.1063/5.0337000

原文作者
Aditya Dev Varma, 1 Hridibrata Pal, 1 Zhongyunshen Zhu, 1 Chandan Joishi, 2 Xiaowei Cai, 2 Mansura Sadek, 2 Tariq Jamil, 3 S. M. Tazbiul Hasan, 3 Abdullah Al Mamun Mazumder, 3 James Fiorenza, 2 Asif Khan, 3 and Tomás Palacios1

1 Department of Electrical Engineering and Computer Science, Massachusetts Institute of Technology
2 Analog Devices, Boston,
3 Department of Electrical Engineering, University of South Carolina

信息来源：奥趋光电

注：本文由作者原创,由联盟编辑整理。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。