近日，美國亞利桑那州立大學（ASU）就單晶AlN襯底上的高壓AlN金屬半導體場效應晶體管（MESFET）進行了報告 [Bingcheng Da et al, Appl. Phys. Express, v17, p104002, 2024]。研究人員們表示，這項工作是“在原生襯底上通過同質外延生長實現AlN晶體管”的首次報道。
圖1：（a）制備的AlN MESFET的橫截面示意圖和（b）頂視顯微鏡圖像。
研究人員們使用位錯密度為103/cm2的AlN襯底來制備AlN MESFET（圖1）。采用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）技術，以三甲基鋁（TMAl）、氨（NH3）和硅烷（SiH4）為前驅體來生長外延結構。生長條件是1250°C的溫度和20Torr的壓力。生長過程中添加了氮化鎵覆蓋層，以保護AlN不受空氣氧化的影響。生成的材料表面粗糙度為0.4nm，位錯密度為104/cm2。
研究團隊評論道：“與藍寶石上的異質外延AlN相比，單晶AlN襯底上的同質外延AlN的位錯密度要低三個數量級，這可以提高AlN器件的性能。”
MESFET器件的制備采用了電感耦合等離子體反應離子刻蝕，在AlN阻隔緩沖層中刻蝕700nm深；沉積退火的鈦/鋁/鎳/金歐姆接觸源/漏（S/D）極；以及沉積鎳/金柵極。
源極-柵極（sg）長度和柵極長度均為2μm。為了研究導通電阻和擊穿電壓之間的權衡，柵極-漏極（gd）長度不等（2-15μm）。Lgd越長，導通電阻越大（壞），但峰值電場越低，從而使擊穿電壓越高（好）。
室溫（RT=298K）和473K之間的電學特性分析表明，在較高溫度下，接觸電阻率（ρc）和方塊電阻（Rsh）均有所降低：室溫下分別為0.77Ω-cm2和2.4x107Ω/square；473K時分別為0.15Ω-cm2和6.6x105Ω/square。
研究人員評論道：“高溫下接觸電阻率降低，可能是由于熱激發電子通過有效的較薄勢壘和/或熱電子發射，從而更容易通過金屬/AlN界面。”
Lgd為2μm的MESFET實現了常開工作，在柵極（Vgs）電壓低于-20V時會出現夾斷。對于許多應用來說，提供常關性能的正閾值是更可取的，但AlN晶體管的開發可能還處于早期階段，還沒考慮到這一點！
研究團隊表示，Vgs為9V時，室溫下的最大漏極電流（Ids）達到56μA/mm——“是已報告的AlN-on-sapphire MESFET的6倍”。研究人員繼續解釋道：“Ids之所以會增大，是因為相比于藍寶石上AlN層的方塊電阻（8x107Ω/平方），同質外延AlN層的方塊電阻（2.4x107Ω/平方）更低。”最大跨導達到1.49μS/mm。
Lgd為8μm的器件顯示出最低的室溫關斷電流（3.3x10-8A/mm），導通/關斷比為700。研究團隊表示，其導通/關斷比雖然與其他材料系統的商用晶體管相比較低，但卻是之前的AlN-on-sapphire MESFET的6倍左右。
在整個溫度范圍為298-473K的實驗中，Vgd為-20V時，通過肖特基柵極的反向柵極漏電流小于1.7x10-9A/mm。研究人員報告稱：“反向柵極漏電流幾乎是恒定的，顯示了隨著溫度的升高，柵極控制保持穩定。”
隨著溫度從室溫升至473K，最大漏極電流和跨導均增大：分別從2.06x10-5A/mm增至3.42x10-4A/mm；從1.19x10-6mS/mm增至2.45x10-5mS/mm。
研究人員解釋道：“隨著溫度從室溫上升到500°C，電子濃度從1x1015/cm3大幅增至5.6x1017/cm3，而遷移率的降幅相對較小，從156cm2/V-s降至52cm2/V-s。因此，隨著溫度的升高，n型AlN層的電導率增大，導致高溫下的輸出性能增強。這與GaN、SiC等傳統寬禁帶半導體形成鮮明對比，由于聲子散射導致電子遷移率顯著降低，基于GaN、SiC等傳統寬禁帶半導體的FET的整體正向性能會隨著溫度的升高而下降。”
室溫下的關態擊穿（圖2）是通過器件邊緣的破壞性失效產生的。研究人員們指出，這一擊穿源于電場擁擠效應。柵極電位為-30V。Lgd最長（15μm）的器件實現了2010V的擊穿電壓，在對比圖中位居第二，僅次于擊穿電壓為2.3kV、Lgd為25μm的藍寶石基晶體管。然而，亞利桑那州立大學的結構使平均電場（1.25MV/cm）提高了25%。亞利桑那州立大學器件較短的Lgd使其在2kV額定擊穿電壓下具有更高的電導率。
展望未來，亞利桑那州立大學團隊報告稱：“目前正在進一步工作中實施電場管理方法（如場板），以提高擊穿場強。”
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