瑞典的研究人員在碳化硅（SiC）上生長(zhǎng)出更薄的IIIA族氮化物結(jié)構(gòu)，以期實(shí)現(xiàn)高功率和高頻薄層高電子遷移率晶體管（T－HEMT）和其他器件。
從圖1可以看出，新結(jié)構(gòu)采用高質(zhì)量的60nm無(wú)晶界氮化鋁（AlN）成核層，而不是大約1－2μm厚的氮化鎵（GaN）緩沖層，以避免大面積擴(kuò)展缺陷。 成核層允許高質(zhì)量的GaN在0．2μm的厚度內(nèi)生長(zhǎng)。
圖1：（a）常規(guī)和（b）低TBR AlN成核，沿GaN ／ AlN ／ SiC界面沿［11－20］方向的橫截面TEM圖像。 （c）GaN ／低TBR AlN NL ／ SiC的HRTEM圖像。（d）GaN ／低TBR AlN NL界面處的HRTEM。（e）低TBR AlN NL ／ SiC界面處HRTEM圖像。
正常厚度的緩沖層用于轉(zhuǎn)變和降低由于GaN和SiC之間3．5％晶格失配所引起的缺陷。需注意的是GaN與藍(lán)寶石和硅等其他襯底的失配率要高得多。這樣的緩沖層會(huì)為高功率和高頻器件帶來(lái)許多問題。這些層通常會(huì)摻雜碳或鐵以增加電阻，目的是將電流限制在溝道區(qū)域，避免寄生傳導(dǎo)的泄漏效應(yīng)。這些摻雜無(wú)會(huì)產(chǎn)生電荷俘獲狀態(tài)，這可能導(dǎo)致其對(duì)性能的負(fù)面影響，例如射頻操作中的電流崩潰。
另外，較薄的器件還應(yīng)具有較低的熱阻，從而改善熱管理。來(lái)自SweGaN AB，查爾姆斯理工大學(xué)和林雪平大學(xué)的團(tuán)隊(duì)評(píng)論說(shuō)：“GaN ／ AlN ／ SiC界面產(chǎn)生的空洞和位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)引入熱邊界電阻（TBR），導(dǎo)致HEMT中通道溫度升高30－40％ ?！?/p>
降低昂貴材料的需求量是該項(xiàng)工作的另一個(gè)亮點(diǎn)。據(jù)研究人員估計(jì)，包括前體和氣體在內(nèi)的原材料需求量將降低90％，同時(shí)由于所需的生長(zhǎng)時(shí)間縮短，處理成本也隨之降低。
新的AlN成核工藝避免了導(dǎo)致柱狀生長(zhǎng)的顆粒狀形態(tài)的產(chǎn)生——造成的這種缺陷會(huì)被帶入覆蓋的GaN中。 通常情況下，顆粒形態(tài)的產(chǎn)生是由于生長(zhǎng)表面上鋁原子的低遷移率造成的。
IIIA氮化物材料在硅面4H－SiC上生長(zhǎng)。 熱壁金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）用于制造具有60nm AlN成核，200nm GaN溝道，高達(dá)1．5nm的AlN中間層，10－14nm AlGaN勢(shì)壘（～30％Al）的外延結(jié)構(gòu)， 和2nm GaN蓋帽層。 采用低熱邊界電阻（低TBR）技術(shù)生產(chǎn)的60nm AlN可由熱壁生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)。
盡管結(jié)構(gòu)厚度更薄，但在低108 ／cm－2范圍內(nèi)的穿透位錯(cuò)密度比具有相同厚度的典型GaN層低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，研究人員如此估計(jì)。在具有2nm GaN帽和14nm Al0．29Ga0．71N勢(shì)壘的結(jié)構(gòu)上的非接觸式霍爾測(cè)量得到9．8×10 12／cm 2的二維電子氣（2DEG）密度和2050cm 2 ／ V－s遷移率。 薄層電阻為315Ω／m2。
測(cè)試T－HEMT是在具有2nm GaN帽，10nm Al0．3Ga0．7N勢(shì)壘和1nm AlN中間層的材料上制備的。 基于鉭的觸點(diǎn)用于源極／漏極，接觸電阻為0．3Ω－mm。
圖2：（a）直流漏極電流 － 電壓（IDS－VDS）特性，（b）傳輸特性以及10V漏極偏置（VDS）下的柵極和漏極電流與柵極電壓（VGS）的函數(shù)關(guān)系，（c）跨導(dǎo)（ gm）作為柵極電位的函數(shù)，和（d）作為T－HEMT的VDSQ的函數(shù)的射頻輸出功率密度。 （e）沒有頂部活性層的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的垂直和側(cè)向擊穿特性。
該器件實(shí)現(xiàn)了1．1A ／ mm的高導(dǎo)通電流密度和1．3Ω－mm的低歸一化導(dǎo)通電阻。（圖2）飽和電流可維持高達(dá)30V的漏極偏壓。采用10V漏極偏壓時(shí)，夾斷很明顯，跨導(dǎo)達(dá)到500mS ／ mm。 閾值擺幅取決于柵極長(zhǎng)度：0．1μm為250mV ／ decade，0．2μm為130mV ／ decade。 對(duì)于0．1μm和0．2μm的柵極，擊穿電壓分別為70V和140V。
研究人員表明“擊穿電壓和柵極長(zhǎng)度之間的線性關(guān)系表明，由于柵極長(zhǎng)度和柵極 － 漏極間距的限制，擊穿是橫向發(fā)生的?！?/p>
柵極 － 漏極間距為2μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通常用于GaN HEMT的通常10－20μm，目的是為了提高功率性能。而傳統(tǒng)的GaN功率HEMT具有微米級(jí)的柵極長(zhǎng)度。
30GHz時(shí)的負(fù)載牽引測(cè)量在40V漏極 － 源極靜態(tài)偏置（VDSQ）下產(chǎn)生5．8W ／ mm的峰值射頻功率密度。
在沒有上AlN ／ AlGaN層的外延疊層上的擊穿測(cè)量在橫向和垂直方向上產(chǎn)生高達(dá)1．5kV擊穿電壓。 該團(tuán)隊(duì)說(shuō)：“在這兩種情況下，擊穿是由于觸點(diǎn)的不良劃定。 因此，預(yù)期堆疊的實(shí)際擊穿電壓會(huì)更高。也就是說(shuō)，擊穿受表面限制，并證實(shí)沒有界面載體?！?/p>