行業(yè) | 德國在單晶AlN襯底上實現(xiàn)耐壓2200 V、功率密度達1.17 GW/cm2的AlN基GaN溝道HEMT器件

譯自原文
1.17 GW/cm² AlN-Based GaN-Channel HEMTs on Mono-Crystalline AlN Substrate

原文作者
M. Wolf , F. Brunner, C. Last, H. Halhoul, D. Rentner, E. Bahat Treidel, J. Würfl, and O. Hil, Ferdinand-Braun-Institut gGmbH, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin, Germany

原文鏈接
https://ieeexplore.ieee.org/document/10505307, IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, VOL. 45, NO. 6, JUNE 2024

項目支持方
德國聯(lián)邦教育和研究部（Federal Ministry for Education and Research，Germany）

摘要

我們在AlN襯底上，采用MOCVD生長的AlGaN/GaN/AlN外延層實現(xiàn)了基于AlN的GaN溝道HEMT，在V_GS = 1 V時，實現(xiàn)了400 mA/mm的電流密度和125 V/µm的擊穿電壓（V_Br）縮放。與類似的AlN-on-SiC器件不同，高V_Br縮放在1000 V以上也適用。這歸因于AlN緩沖層缺陷密度的顯著降低。從具有2.2 kV擊穿電壓的器件中提取了創(chuàng)紀錄的1.17 GW/cm²功率密度。在0.6 A / 464 V關態(tài)電壓下的高壓開關瞬態(tài)顯示出由于AlN緩沖層/GaN溝道界面質量引起的色散效應。

1.引言

基于AlN的功率電子器件可能會受益于AlN材料6.2 eV的高帶隙、340 W/(m·K)的高熱導率以及> 10 MV/cm的高臨界電場強度?？紤]到電子遷移率高2-3倍，熱導率高15倍，它很可能在性能上超越基于Ga₂O₃的功率電子器件——這是AlN和AlGaN在超寬帶隙（UWBG）功率電子領域的直接競爭對手。然而，要在有源器件中利用AlN高臨界場強度是困難的，因為由于高施主電離能，溝道和漂移區(qū)的雜質摻雜具有挑戰(zhàn)性。Si和Mg是AlN中最常用的施主和受主摻雜元素，報道的電離能分別約為280 meV和約630 meV。相反，使用極化摻雜誘導二維電子氣（2DEG）的異質結器件在AlN和AlGaN材料體系中是一個更有前景的選擇。但是，在HEMT器件中需要與勢壘層相比具有較低帶隙和較小極化的溝道層來誘導2DEG晶體管溝道，即AlGaN或GaN，從而折衷了AlN的高擊穿場強。

雖然AlGaN溝道HEMT應該允許比GaN溝道HEMT更高的V_Br縮放，但AlGaN合金散射顯著降低了溝道遷移率，從而阻礙了AlGaN溝道HEMT的導通狀態(tài)性能。此外，較高的Al含量阻礙了源極和漏極端子良好歐姆接觸的形成。因此，盡管已經達到了高達400 V/µm的V_Br/d_GD縮放，但報告的AlGaN溝道HEMT功率密度仍然顯著低于V2 Br / (R_ON ·A) = 1 GW/cm²。由于GaN的臨界場強度僅約為340 V/µm，因此無法用GaN溝道器件達到如此高的V_Br縮放。但是，高2DEG電子遷移率和低接觸電阻保證了Al(Ga)N/GaN HEMT的卓越導通狀態(tài)性能，這一點也為大功率射頻應用所證明。盡管如此，AlGaN/GaN HEMT尚未達到GaN材料Baliga優(yōu)值極限(ε µ E3 crit)的功率密度，而且報告的擊穿電壓縮放小于130 V/µm。將GaN溝道器件推向材料極限的一種選擇是通過使用具有良好背阻擋特性的緩沖層來改善溝道層的限制，同時不引入電子陷阱態(tài)。因此，一個具有高導電帶偏移量的AlN緩沖層對于溝道層來說是一個極好的選擇。此外，高AlN帶隙防止了任何寄生緩沖層導電，而且，得益于GaN和AlN的高熱導率，預計功率器件將具有低熱阻抗。

最近，我們研究了在半絕緣SiC襯底上生長的AlGaN/GaN/AlN HEMT，用于高達950 V的電力電子開關應用。本文我們報告了在單晶AlN襯底上制備的相關器件在0.6 A / 464 V下的高壓開關特性，其V_Br/d_GD為125 V/µm，功率密度為V2 Br/(R_ON ·A) = 1.17 GW/cm²。從異質外延到同質外延的轉變通?？梢詼p少器件缺陷密度，并進一步降低熱阻抗，以實現(xiàn)更好的可靠性和更大的安全工作區(qū)域。

2.器件制備

AlGaN/GaN/AlN同質外延是在HexaTech約550 µm厚的(001)取向1英寸單晶AlN襯底上進行金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）實現(xiàn)的。據(jù)報道HexaTech公司生產的物理氣相傳輸生長的單晶AlN，位錯密度約為∼10⁻⁴ cm⁻²。

圖1. 在單晶AlN襯底上生長的AlGaN/GaN/AlN基HEMT的示意橫截面圖。

圖2. 在AlN（藍色）和SiC（黑色）襯底上生長的AlN緩沖層的搖擺曲線，以及對應的302反射峰的半高寬（FWHM）。

在AlN襯底上，以1350℃的工藝溫度生長了3.9 μm厚的未摻雜AlN緩沖層。從搖擺曲線測量（圖2）中提取的FWHM值表明，在原生AlN襯底上生長的AlN緩沖層與在異質SiC襯底上生長的相比，刃位錯的密度要低得多，大約低12倍。隨后的GaN溝道層厚度為130 nm。通過HRXRD分析確定，Al_0.42Ga_0.58N勢壘層厚度為10 nm。結構頂部覆蓋有2 nm摻硅GaN以提高器件可靠性，并覆蓋有2 nm原位生長的SiN_x以防止表面氧化。使用渦流測量技術提取的2DEG片電阻為400Ω/sq。HEMT結構的柵寬從w_G = 250 μm到9.2 μm，柵長為l_G = 0.7 μm，源柵間距為1μm，d_GD在2 μm和18 μm之間，使用i線光學步進光刻技術進行圖案化。器件制備從歐姆接觸開始，使用蒸鍍后的Ti/Al/Ni/Au/Ti/Pt金屬堆棧在870℃下退火形成。器件隔離采用多能量¹⁴N⁺注入實現(xiàn)。在定義了0.7 μm柵腳的傾斜柵溝槽內，通過使用SF₆ ICP干法蝕刻在180 nm厚的PECVD沉積SiN鈍化層中創(chuàng)建，然后蒸鍍了一層Ir/Ti/Au堆棧作為肖特基柵金屬。最終的器件鈍化采用旋涂的5 μm苯并環(huán)丁烯（BCB）聚合物層實現(xiàn)。

3.器件結果

使用TLM方法，提取的源和漏接觸電阻為R_C = 1.45 (±0.85) Ω·mm。意外的高R_C值可能源于高勢壘層Al含量。它們阻礙了器件的導通狀態(tài)電阻R_ON，特別是對于d_GD < 8 µm的情況。從轉移特性（圖3a）可以看出，閾值電壓（V_TH）在-2 V左右，正向和反向掃描之間沒有遲滯現(xiàn)象，表明柵極模塊下方的低陷阱或無陷阱。在V_GS = 1 V時，測量的電流密度為I_D = 400 mA/mm。值得注意的是，基于原生AlN襯底的器件沒有表現(xiàn)出遲滯或拐點機制（圖3b），這些效應通常在標準GaN以及AlN-on-SiC器件的電學行為中觀察到。

圖3. AlN-on-AlN晶體管的正向（紅色）和反向（藍色）直流（a）轉移曲線，在V_DS = 10 V時，以及（b）輸出IV掃描，其中柵漏間距d_GD = 2 µm。

圖4. AlN-on-AlN器件與AlN-on-SiC器件的V_Br與d_GD的晶圓級分布對比，以及d_GD ≥10 µm的器件在V_GS = −5 V時的關態(tài)擊穿曲線插圖。

3.1擊穿測量

圖4顯示的d_GD函數(shù)的擊穿電壓縮放，是在w_G=250 μm的測試器件上提取的。這些器件被浸入Fluorinert中，以防止在高壓測量期間發(fā)生電弧。所有測試器件在V_DS上升至擊穿點（I_D=0.1 mA/mm）期間都顯示出恒定的柵電流，表明沒有通過AlN緩沖層的漏電路徑。這些器件在柵極和漏極之間沒有場分布結構，因此容易在柵極邊緣產生更高的電場峰值。對V_Br進行線性擬合，直到d_GD=18 μm（圖4 - 綠色虛線），我們得到了基于AlN的GaN溝道HEMT的平均V_Br縮放為125 V/µm。圖4（插圖）顯示了d_GD=10、12、18 μm器件的關態(tài)漏極漏電流。d_GD=18 μm且R_ON=18.4 Ω·mm的HFET達到了2227 V的擊穿電壓，從而實現(xiàn)了1.23 MV/cm的擊穿場強和相應的功率密度V2 Br/(R_{O N} ·A) = 1.17 GW/cm²。這里，A被視為歐姆接觸端子之間的面積。

圖5展示了研究的GaN溝道AlN-on-AlN器件的V_Br與R_ON·A的基準測試，分別對應8 μm、10 μm、12 μm和18 μm的d_GD間隔，并且與材料的理論極限、最先進的功率器件結構結果、我們之前在GaN溝道AlN-on-SiC HFET器件上的結果以及最近報道的AlGaN溝道AlN-on-AlN器件進行了比較。

圖5. 在FBH制備的基于AlN的器件的擊穿電壓與特定導通電阻的比較，與其他最先進的功率器件相比

圖6. (a) 在施加V_{DS_OFF} 10 ms后的動態(tài)R_ON瞬態(tài)；(b) 在開啟后4 μs時，對于w_G=9.2mm和d_GD=18 μm的AlN基的器件，歸一化動態(tài)R_ON與V_{DS_OFF}的變化圖。

3.2 動態(tài)R_ON測量

對具有w_G=9.2 mm、d_GD=18 μm和源連接場板的器件進行了高壓開關測量，使用的是如[15]中所述的定制針狀探針卡的晶圓上高電流脈沖裝置。在不同V_{DS_OFF}下保持器件關閉狀態(tài)10 ms后，使用電壓鉗位電路捕獲開啟狀態(tài)下的V_DS和測量到的漏極電流瞬態(tài)2-4 μs后的R_DsOn（圖6a）。該器件在V_GS=1 V時的飽和電流約為2.9 A。最大施加的V_{DS_OFF}為464 V，動態(tài)R_ON是在約0.6 A的開啟狀態(tài)漏極電流時估算的。

歸一化動態(tài)R_ON相對于R_DsOn（V_{DS_OFF} = 10 V）在t_ON = 4 μs時提取（圖6b），顯示出在V_{DS_OFF} = 200-300 V時有一個顯著的最大值，其中V_{DS_OFF} = 240 V時最大值為×1.9。，我們已經觀察到了：對于具有可比GaN溝道厚度的AlN-on-SiC器件也具有類似的特性。

4.結果討論

AlN-on-AlN器件的功率密度V2 Br/(R_{O N} ·A)相對于最近發(fā)布的AlN-on-SiC器件[15]略有降低，見圖5。這在一定程度上是由于在1英寸AlN襯底上的一些生長和處理挑戰(zhàn)所導致的。GaN溝道厚度以及勢壘層厚度都有所減小，AlGaN勢壘的Al濃度比目標值要高。由此產生的二維電子氣（2DEG）片電阻為400Ω/sq，而不是之前報告的AlN-on-SiC的360Ω/sq。此外，由于工藝過程的不穩(wěn)定性，源和漏接觸電阻值出奇地高于[15]中的兩倍，結果是R_ON·A值更高。

從高壓開關中得到的AlN-on-AlN器件的動態(tài)R_ON增加趨勢與使用相同特征結構的AlN-on-SiC器件所報告的趨勢相似。盡管在AlN緩沖層中沒有使用補償摻雜，但圖6b揭示了相當大的分散性。這是可以預料的，因為如[15]和[18]所示，GaN溝道層底部的高結構缺陷密度。GaN溝道層的部分松弛導致緩沖層/溝道界面處的失配位錯，這是由于GaN和AlN之間存在較大的晶格失配，被認為是電子陷阱和動態(tài)R_ON增加的原因，尤其是對于超過200 V的電壓。盡管對于AlN-on-SiC器件，在更高的電壓下觀察到動態(tài)R_ON增加，但這可能歸因于所研究的基于AlN的器件的GaN溝道較薄，類似于在[15]中觀察到的。因此，MOCVD生長中的這一挑戰(zhàn)仍然獨立于AlN緩沖層下方的襯底材料，需要優(yōu)化GaN溝道的生長。

盡管如此，與AlN-on-SiC異質外延相比，AlN襯底上AlN緩沖層的位錯密度顯著降低（見圖2），這即使在非常高的電壓下也可能抑制任何與緩沖層相關的漏電路徑。這里發(fā)現(xiàn)的器件V_Br縮放為d_GD=2 ~ 18 μm時125 V/μm。盡管這比[15]中報告的AlN-on-SiC器件的140 V/μm要低，但在V_Br>1000 V時，并未觀察到AlN-on-AlN器件的V_Br縮放有所減少。對于具有最高V_Br的AlN-on-AlN器件，V_Br/d_GD=2227 V/μm仍為124 V/μm，而對于AlN-on-SiC，僅為V_Br/d_GD=1790 V/15 μm=119 V/μm。在這些高電壓下，完全絕緣的AlN襯底以及AlN緩沖層和襯底之間的最佳界面可能是決定性的，從而導致與柵極-漏極間距無關的線性V_Br縮放。

結論

總之，我們展示了在單晶AlN襯底上MOCVD生長的GaN溝道AlGaN/GaN/AlN-HEMTs器件，證明了其出色的高壓性能。我們在464 V和0.6 A的高壓開關瞬態(tài)中首次揭示了與AlN-on-SiC器件相似的動態(tài)行為。同時發(fā)現(xiàn)AlN緩沖層/GaN溝道界面是電子陷阱和相關動態(tài)R_ON增加的原因，尤其是在電壓超過200 V時。對于250 μm器件，實現(xiàn)了平均擊穿電壓縮放125 V/μm，柵極-漏極間隔最大可達18 μm。對于一個d_GD為18 μm、V_Br為2227 V的器件，提取的功率密度V2 Br/(R_{O N} ·A) = 1.17 GW/cm²。據(jù)我們所知，這是在AlN襯底上生長的高壓GaN溝道晶體管的一個新記錄。此外，它突顯了在實現(xiàn)高器件功率密度方面良好的導通狀態(tài)性能的重要性。盡管對于AlGaN溝道HEMTs發(fā)布了更高的V_Br縮放和更高的絕對擊穿電壓，但這些器件尚未達到本文實現(xiàn)的GaN溝道器件這樣高的功率密度。