Carbontech2025第九屆國(guó)際碳材料大會(huì)暨產(chǎn)業(yè)展覽會(huì)（12月9-11日 上海），以“材料創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)產(chǎn)業(yè)變革”為主線(xiàn)，構(gòu)建覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的三大主題展館，其中N1半導(dǎo)體碳材料館聚焦金剛石及超硬材料的最新成果與應(yīng)用。
美國(guó)的康奈爾大學(xué)和德國(guó)的弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所（Fraunhofer IAF）報(bào)道稱(chēng)，氮化鋁釔（AlYN）可用作氮化鎵（GaN）二維電子氣（2DEG）溝道高電子遷移率晶體管（HEMT）的潛在勢(shì)壘材料 [Kazuki Nomoto, Appl. Phys. Lett., v126, p223509, 2025]。
研究團(tuán)隊(duì)評(píng)論道：“利用再生長(zhǎng)n-GaN歐姆接觸與極化誘導(dǎo)的2DEG相連，獲得了具有低閾值電壓的出色HEMT直流性能、超過(guò)400mA/mm的飽和漏極電流和大于300mS/mm的跨導(dǎo)。”
研究人員還報(bào)道稱(chēng)：“接近理想的亞閾值擺幅最小值約為66-67mV/decade ，突顯了由于界面陷阱密度低，對(duì)2DEG溝道電導(dǎo)率的出色靜電柵極控制。”
該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種性能可能在下一代無(wú)線(xiàn)通信和電力電子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效率和高頻率應(yīng)用。
雖然釔不屬于元素周期表中傳統(tǒng)的III族（硼（B）、鋁、鎵、銦……），但與這些元素一樣，釔的最外層也有三個(gè)電子。事實(shí)上，釔屬于過(guò)渡金屬的d區(qū)，在現(xiàn)代元素周期表中屬于第3族，而傳統(tǒng)的III族被歸為第13族。另一種第3族元素是鈧（Sc），近來(lái)也在HEMT研究中得到應(yīng)用。鑭（La）是第一種f區(qū)元素（稀土），其最外層同樣有三個(gè)電子，也曾進(jìn)行過(guò)類(lèi)似的HEMT研究探索。f區(qū)元素沒(méi)有正式的族群編號(hào)。
為了對(duì)未來(lái)的HEMT產(chǎn)生影響，這些材料需要保持高溝道遷移率，同時(shí)改善擊穿和縮放特性。擊穿電壓與帶隙有關(guān)，因此帶隙需要比目前的AlGaN勢(shì)壘器件更大。康奈爾大學(xué)、弗勞恩霍夫研究所和其他研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了不同的AlBN和AlScN勢(shì)壘GaN HEMT。
外延材料結(jié)構(gòu)（圖1）是通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法在直徑100mm的半絕緣（S.I.）4H多型（0001）碳化硅（SiC）襯底上生長(zhǎng)的。9.7nm的AlYN層使用了Dockweiler Chemicals提供的固態(tài)三（甲基環(huán)戊二烯基）釔（(MCp)3Y）作為釔前驅(qū)體。
圖1（a）外延AlYN/GaN MOCVD異質(zhì)結(jié)構(gòu)。（b）通過(guò)濕法刻蝕去除原位氮化硅（SiNx）后的AlYN表面原子力顯微鏡（AFM）圖像。（c）100mm晶圓上的方塊電阻圖。
SiC上的成核層是在高溫（HT）下生長(zhǎng)的氮化鋁（AlN），隨后是900nm摻鐵（Fe）GaN下緩沖層，旨在補(bǔ)償900nm無(wú)意摻雜（UID）上緩沖層中殘留的施主雜質(zhì)。
AlYN勢(shì)壘生長(zhǎng)于一層薄AlN中間層（IL）上，以提高勢(shì)壘的均勻性。通過(guò)沉積SiNx來(lái)鈍化AlYN表面，從而完成外延結(jié)構(gòu)。SiNx尤其能保護(hù)含鋁表面材料免于氧化。在去除SiNx的10μmxμm區(qū)域上進(jìn)行原子力顯微鏡測(cè)量，結(jié)果顯示，其表面粗糙度的均方根（RMS）為0.67nm。方塊電阻約為335Ω/□。在勢(shì)壘/緩沖層界面附近形成的二維電子氣（2DEG）中，電子遷移率為1358cm2/V-s，電子密度為1.37x1013/cm2。
這種HEMT（圖2）采用的是帶有鈦/金（Ti/Au）金屬電極的再生長(zhǎng)源極/漏極n+-GaN接觸。柵極和接觸焊盤(pán)由鎳/金層組成。約50nm厚的源極/漏極GaN區(qū)域是通過(guò)分子束外延（MBE）生長(zhǎng)的。
圖2：（a）HEMT的橫截面示意圖。（b）制造后的俯視掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。（c）總電阻與傳輸線(xiàn)法（TLM）結(jié)構(gòu)的對(duì)比，顯示了再生長(zhǎng)區(qū)和2DEG溝道的接觸電阻和方塊電阻。
研究人員認(rèn)為，在未來(lái)的研究中，金屬/再生長(zhǎng)GaN界面和再生長(zhǎng)/2DEG GaN界面的高接觸電阻可以降低。對(duì)帶有再生長(zhǎng)歐姆接觸的2DEG進(jìn)行霍爾測(cè)量，結(jié)果顯示，載流子密度為0.95x1013/cm2，遷移率為1360cm2/V-s，方塊電阻為481Ω/□。載流子密度的降低和相關(guān)的方塊電阻的升高歸因于源極/漏極的再生長(zhǎng)。在未采用再生長(zhǎng)源極/漏極接觸的對(duì)照HEMT樣品中，霍爾特性與MOCVD后的值相比沒(méi)有明顯變化。
研究人員評(píng)論道：“這表明薄層電荷密度的變化與再生長(zhǎng)過(guò)程和再生長(zhǎng)后處理的特定步驟有關(guān)。潛在的原因可能是再生長(zhǎng)所需的高溫以及勢(shì)壘中應(yīng)變的相關(guān)變化。”
盡管尚未確定方塊電阻升高的確切原因，但研究團(tuán)隊(duì)對(duì)遷移率實(shí)際上保持不變而感到鼓舞。
圖3：（a）測(cè)得的直流輸出。（b）對(duì)數(shù)標(biāo)度和（c）線(xiàn)性標(biāo)度的傳輸特性。（d）在500kHz下測(cè)得的AlYN/AlN/GaN基金屬-絕緣體-半導(dǎo)體（MIS）電容器的電容-電壓（C-V）特性，以及在10kHz-2MHz頻率范圍內(nèi)提取的介電常數(shù)。
在0.5V柵極電勢(shì)下，所制造的AlYN勢(shì)壘HEMT表現(xiàn)出0.42A/mm的最大飽和漏極電流（圖3）。導(dǎo)通電阻為3.77Ω-mm。柵極電壓掃描顯示，漏致勢(shì)壘降低（DIBL）約為9mV/V。導(dǎo)通/關(guān)斷電流比超過(guò)109。
在負(fù)柵極電勢(shì)下，柵極漏電流小于1nA/mm，研究團(tuán)隊(duì)表示：“這表明AlYN勢(shì)壘層在限制柵極漏電流方面非常有效，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)AlYN/GaN HEMT的有效柵極調(diào)制。”
在漏極偏壓為1V、5V和9V時(shí)，閾值電壓變化分別為-1.12V、-1.03V和-1.05V。漏極偏壓9V時(shí)的峰值外跨導(dǎo)為0.31S/mm。對(duì)帶有20μm直徑鎳/金電極的金屬-絕緣體-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行電容測(cè)量，結(jié)果顯示，其相對(duì)介電常數(shù)大于10。
研究人員認(rèn)為，他們的研究結(jié)果表明，AlYN是“一種有效的外延?xùn)艠O電介質(zhì)，具有合適的相對(duì)介電常數(shù)，可以同時(shí)提供極化誘導(dǎo)的2DEG和適當(dāng)?shù)慕^緣特性，用作AlYN/AlN/GaN HEMT的柵極勢(shì)壘”。
此外，這種器件顯示出較低的亞閾值擺幅（SS），略高于66mV/decade，接近室溫下玻爾茲曼理論亞閾值擺幅極限60mV/decade。在向下掃描中，電流約為10-4A/mm時(shí)，最低亞閾值擺幅為67.2mV/decade，相對(duì)不受漏極偏壓的影響。在向上掃描中，存在一定的偏壓依賴(lài)性，但在1V偏壓下，亞閾值擺幅值略低，約為66.5mV/decade。
研究團(tuán)隊(duì)評(píng)論道：“這些亞閾值擺幅值表明界面陷阱密度Dit = 8x1011/cm2-eV。即使在高漏極偏壓下，低亞閾值擺幅值也表明AlYN可以成為對(duì)下一代GaN HEMT極具吸引力的外延勢(shì)壘層。”
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