AlGaN双通道HEMTs实现更高漏电流密度与优异击穿电压

摘要

本工作提出并利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长AlGaN双通道异质结构，制备并研究高性能AlGaN双通道高电子迁移率晶体管（HEMTs）。双通道特性有效改善AlGaN通道异质结构输运性能：一方面，垂直方向双势阱与增强载流子限域提升总二维电子气（2DEG）密度；另一方面，各通道平均2DEG密度降低，载流子-载流子散射抑制提升迁移率。结果AlGaN双通道HEMTs最大漏电流密度（I_max）达473 mA/mm（V_GS=0 V）。同时展示优异击穿性能。结果不仅显示AlGaN双通道HEMTs在微波功率电子器件中的巨大应用潜力，也为III族氮化物电子器件研究开辟新思路。

引言

III族氮化物基HEMTs凭借快速开关速度、低开关损耗，被公认为下一代微波功率电子器件最有前景候选者[1-5]。先进氮化物HEMTs已初步商业化至650 V。但随着器件制造技术成熟，进一步提升击穿电压（V_b）与高温可靠性愈发困难。鉴于AlGaN比GaN拥有更大禁带宽度与优越热稳定性，AlGaN通道器件被提议为提升氮化物HEMTs高压高温应用性能极限的有力候选[6-15]。

Nanjo等展示AlGaN通道HEMTs显著击穿增强，Al₀.₅₃Ga₀.₄₇N/Al₀.₃₈Ga₀.₆₂N HEMTs（栅极-漏极距10 μm）最大击穿电压1650 V[6]；后续Al₀.₄₀Ga₀.₆₀N/Al₀.₁₅Ga₀.₈₅N HEMTs推至1700 V[8]。Zhang等采用欧姆/肖特基混合漏极接触，AlGaN通道HEMTs击穿电压破纪录超2200 V[11]。Xiao等提出高2DEG迁移率（807 cm²/V·s）AlGaN通道异质结构，制备器件获最大漏电流与I_on/I_off比纪录[14]；后又首创常关模式超晶格AlGaN通道HEMTs，击穿超2000 V，导通电流密度768 mA/mm，阈值电压（V_T）1.0 V[15]。Baca等评估80 nm栅长AlGaN通道HEMTs射频（RF）性能，f_T 28.4 GHz、f_MAX 18.5 GHz[12]。上述结果彰显AlGaN通道HEMTs射频功率应用前景。

但前人AlGaN通道器件局限明显：① 三元合金无序散射致AlGaN通道2DEG迁移率远低于GaN通道，导致电流驱动能力远弱于传统GaN器件；② 为诱导同等2DEG，AlGaN势垒层AlN成分需高于常规GaN异质结构，增加材料生长难度。这两大矛盾严重阻碍AlGaN通道器件普及，急需优化异质结构布局。

双通道技术是提升氮化物异质结构通道载流子密度而不损电子迁移率的引人注目途径，可改善器件电流传导能力[16-18]。但迄今鲜有AlGaN双通道异质结构或电子器件报道。本工作首次提出并生长AlGaN双通道异质结构，旨在解决氮化物电子器件电流驱动能力与击穿性能的矛盾，并制备表征高性能AlGaN双通道HEMTs。

方法

AlGaN双通道异质结构剖面示意图见图1a，生长工艺：① 蓝宝石衬底上生长1600 nm GaN缓冲层；② 生长500 nm渐变AlGaN缓冲层（AlN组分0→10%），抑制寄生通道形成；③ 依次生长100 nm下AlGaN通道、1 nm AlN中间层、23 nm下AlGaN势垒，通道/势垒AlN组分分别为10%/31%；④ 生长30 nm上AlGaN通道、1 nm AlN中间层、23 nm上AlGaN势垒，组分同下层。通过自洽求解一维泊松-薛定谔方程（有限差分法、非均匀网格）计算导带图（图2a），对比给出单通道结果（图2b）。双通道结构在AlN/Al₀.₁Ga₀.₉N界面形成两个深势阱，对应双2DEG通道。上通道2DEG密度高于下通道，因：① 下势垒作上通道背阱增强限域；② 施主型表面态是氮化物异质结构通道2DEG主要来源[20]，更靠近上通道。

结果与讨论

结构表征

HRXRD ω-2θ扫描（0004）对称反射（图3）可观测AlN成核层、GaN缓冲、AlGaN渐变缓冲、AlGaN通道、AlGaN势垒衍射峰。71.0-73.2°放大扫描配以Lorentz函数多峰拟合：GaN缓冲71.6°、AlGaN通道72.2°、AlGaN势垒72.8°，渐变缓冲在GaN与通道峰间形成平台。结果表明多层结构清晰、生长控制精准，提取通道/势垒AlN组分分别为10%/31%。

C-V特性与载流子分布

汞探针C-V测量（图4插图）：0→-15 V扫描中，-2.5 V与-10 V处现两个明显电容阶跃，对应两AlN/Al₀.₁Ga₀.₉N界面2DEG耗尽。载流子分布曲线（图4）显示两浓度峰位于24 nm与78 nm处，值分别为6.1×10¹⁹、2.5×10¹⁹ cm⁻³，与计算吻合。测试深度1 μm内未观测寄生通道，证实双通道特性实现。霍尔效应测得2DEG面密度1.3×10¹³ cm⁻²、迁移率1130 cm²/V·s。

器件制备与输出/传输特性

标准HEMTs工艺制备器件：Ti/Al/Ni/Au欧姆接触（850℃、30 s、N₂快速退火）；Cl₂/BCl₃ ICP刻蚀200 nm隔离；PECVD沉积100 nm SiN钝化；光刻定义0.8 μm栅长，CF₄等离子体刻蚀SiN，沉积Ni/Au肖特基栅极。栅源/栅漏距L_GS=0.8 μm、L_GD=1 μm。对比制备常规AlGaN单通道、GaN双通道HEMTs，工艺参数一致。Keithley 4200测输出/传输特性，Agilent B1505A测击穿特性。

输出特性（图5，V_GS 0~-10 V，V_DS 0~10 V）：AlGaN单通道I_max 265.3 mA/mm，R_on 27.1 Ω·mm，符合前人报告，印证电流驱动不足。AlGaN双通道I_max跃升至473 mA/mm，为单通道1.8倍。归因于双通道优越输运性质：双势阱增强载流子储存能力；总载流子密度虽增，但各通道平均密度降低，抑制载流子-载流子散射提升迁移率。但AlGaN双通道R_on 12.5 Ω·mm仍大于GaN双通道，因AlGaN势垒AlN组分高达31%导致大接触势垒。GaN双通道因自热效应在V_GS>-4 V、V_DS>6 V现负微分电阻，而AlGaN通道器件（单/双通道）显著抑制该效应，体现高温优势。

传输特性（图6，V_DS=10 V）：AlGaN单通道V_T -3.8 V，峰值外延跨导G_m,max 80.5 mS/mm（V_GS≈-1.5 V）。AlGaN双通道、GaN双通道V_T显著降至-9.2 V、-11.2 V，因高通道载流子密度与栅极至下通道距离较长。高V_T可能导致关态高功耗，可通过优化生长参数（如减薄势垒/上通道层）改善。双通道HEMTs跨导曲线呈双峰特征：AlGaN双通道在V_G=-1.0 V与-6.0 V处峰值97.9、42.5 mS/mm，次峰达主峰43%，显示良好栅极控制与线性度。基于前期成果[21]，调节双通道厚度/组分可进一步提升耦合效应与线性度。

击穿性能

关态击穿特性（图7，漏电流5 μA/mm判据）：三样品均呈硬击穿，AlGaN通道器件击穿性能显著优于GaN通道。AlGaN双通道V_b 143.5 V，为GaN双通道2倍以上。考虑L_GD=1 μm，标准化击穿电压V_b,standard=143.5 V/μm。本工作AlGaN双通道I_max与V_b,standard与文献GaN/AlGaN通道HEMTs对标（图8），区分耗尽模式（DM）与增强模式（EM）。表1汇总前人与本工作AlGaN通道HEMTs核心指标。图8显示：AlGaN通道HEMTs击穿性能普遍优于GaN通道，但伴随I_max劣化。值得注意的是本工作AlGaN双通道I_max与多数GaN通道HEMTs相当，且该值在V_GS=0 V下取得（保守值，施加正栅压可进一步提升）。结果令人信服地证明AlGaN双通道HEMTs在微波功率器件应用中的巨大潜力。

结论

本工作提出AlGaN双通道异质结构制备高性能HEMTs。揭示双通道优越输运性质改善电流驱动能力，并展示优异击穿性能。结果显示AlGaN双通道器件在未来微波功率应用中潜力巨大。