Nedbrytningsmekanismer och mobilitetsoptimering i ultratunnkanaliga AlGaN/GaN HEMT baserat på AlN-mall +

AlN-mallar finns tillgängliga för AlGaN/GaN HEMT epitaxiell tillväxt. För detaljerade tekniska parametrar, vänligen kontakta oss på[email protected].

Inom området högspänningskraftelektronik har GaN-baserade HEMT:er uppnått kommersiell tillämpning i 650V-klassen, men att skala upp till 1200V och längre är fortfarande en formidabel utmaning. Den spänningsblockerande förmågan hos konventionella GaN-på-Si-strukturer begränsas av avvägningen mellan buffertskiktets tjocklek, waferbåge och kristallkvalitet. Även om SiC erbjuder ett större bandgap, hindrar dess kostnad marknadspenetration. Mot denna bakgrund har materialet AlN med ultrabredt bandgap (bandgap 6.2eV) blivit en idealisk kandidat för nästa generations kraftenheter på grund av dess teoretiska nedbrytningsfält så högt som 8.4MV/cm och värmeledningsförmåga på 2.9W/(cm·K).

Att bara använda AlN som buffertlager löser dock inte direkt alla problem. Den ultratunna kanalstrategin har dykt upp: att komprimera GaN-kanalens tjocklek till under 10 nm för den tvådimensionella elektrongasen (2DEG) närmare AlN-bufferten, och utnyttjar därigenom AlN:s höga nedbrytningsstyrka för att undertrycka läckagevägar i substratet och bufferten. Abid et al. (2019) tillverkade framgångsrikt HEMT-strukturer på AlN/safirmallar med en 8-nm tunn GaN-kanal och ett Al₀.₉Ga₀.₁N-barriärskikt. Enheten uppvisade en lateral genombrottsspänning som översteg 10kV (mätsystemets gräns) vid ett kontaktavstånd på 96μm och ett genombrottsfält så högt som 5MV/cm vid ett kort avstånd (2μm) – ett värde som vida översteg den teoretiska gränsen för GaN.

Fig. 1 Tvärsnittsschematisk av den ultratunna kanalen Al₀.₉Ga₀.₁N/GaN HEMT (vänster) och högupplöst TEM-bild av de MBE-odlade aktiva skikten (höger)

Ändå uppvisar denna struktur en betydande motsägelse: ultrahög genombrottsspänning samexisterar med låg rörlighet. Hallmätningar visade en 2DEG-rörlighet på endast 340cm²/(V·s), långt under den typiska 1500–2000cm²/(V·s)-nivån i konventionella GaN HEMTs. Denna flaskhals för prestanda begränsar enhetens tillämpning i högfrekvensdomäner och utgör ett viktigt hinder för den praktiska användningen av ultratunn-kanalsteknologi. Bassaler et al. (2022) genomförde systematisk materialfysikforskning i denna fråga, med användning av transientspektroskopi på djup nivå (DLTS) och transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att avslöja det fysiska ursprunget till den låga rörligheten.

1. Genombrott i nedbrytningsprestanda: spänningsblockerande fördel med AlN-bufferten

Abid et al. (2019) jämförde två strukturer: den tidigare nämnda 8 nm tunnkanalstrukturen och en 240 nm tjockkanalstruktur (barriärskikt med 29 % Al-innehåll). Laterala nedbrytningstest utfördes i Fluorinert-lösning för att undvika luftbågsbildning, vilket avslöjade dramatiska skillnader.

På ett kort avstånd på 2μm uppvisade den tunnkanaliga strukturen en genomslagsspänning något över 1000V, motsvarande ett genomslagsfält som översteg 5MV/cm, medan den tjocka kanalstrukturen endast nådde 270V (<2MV/cm). Denna skillnad visar direkt nödvändigheten av den ultratunna kanalen – när GaN-kanalens tjocklek komprimeras till under 10 nm, kan utarmningsområdet sträcka sig in i AlN-bufferten, vilket gör att enhetens spänningsblockerande förmåga domineras av AlN:s breda bandgap. Såvitt författarna vet var detta experiment den första demonstrationen av högspänning med en tunn GaN-kanal på en AlN-baserad HEMT.

Vid ett långt avstånd på 96μm uppnådde den tunnkanaliga strukturen en genomslagsspänning på 10kV (systemgräns) med en läckström på endast 300nA/mm, vilket indikerar att heterostrukturen inte led av parasitisk ledning och att full utarmning från kanalen ner till safirsubstratet realiserades.

Fig. 2 Jämförelse av lateral genomslagsspänning mellan tunn- och tjockkanalstrukturer vid ett kontaktavstånd på 96μm vid rumstemperatur

Noterbart minskade nedbrytningsfältet med ökande kontaktavstånd för båda strukturerna. Abid et al. tillskrev detta till återväxtgränssnittstillstånd aktiverade under extremt höga elektriska fält. Detta tyder på att även med högkvalitativa AlN-mallar manifesterar gränssnittsdefekter som introduceras under MBE-återväxt fortfarande sitt inflytande under långa förhållanden med hög spänning.

2. Fysiska ursprung för låg rörlighet: gränssnitt, dislokationer och fällor

2.1 Strukturella defekter: från dislokationer till gränssnittssteg

TEM-analys av Bassaler et al. (2022) på samma strukturer avslöjade viktiga ledtrådar. När den ses längs [11-20]-planet, innehöll AlN-bufferten många gängdislokationer längs tillväxtriktningen, och GaN-kanalgränssnittet uppvisade uttalad stegliknande grovhet på detta plan. Däremot längs [10-10]-planet var kanalmorfologin mer regelbunden med betydligt färre steg. Denna anisotropa gränssnittsmorfologi påverkar direkt 2DEG-transportbeteendet.

Fig. 3 (a) HAADF-STEM-bilder av provets tvärsnitt längs [11-20]- och [10-10]-planen; (b) Förstorade vyer av kanalregionen, som visar distinkta steg vid AlN/GaN- och Alo.gGao.1N/GaN-gränssnitten längs [11-20]-planet (markerat med pilar), medan [10-10]-planet är relativt jämnt. Insättningen visar de få steg som fortfarande kan observeras längs [10-10]-planet.

XRD-gungningskurvor visade att de fulla bredderna vid halva maximum av AlN (002) och (101) reflektionerna var under 350 bågsekunder respektive 500 bågsekunder, motsvarande en dislokationstäthet under 10⁸cm⁻². GaN-skiktet, som bara var 8 nm tjockt, gav en för svag diffraktionssignal för att exakt bestämma dess toppbredd, men forskarna drog slutsatsen att vissa dislokationer sträcker sig in i den tunna kanalen. Dessa dislokationer är direkt relaterade till 13% gittermissanpassning vid AlN/Al2O3-gränssnittet.

Ännu viktigare, det finns en kvantitativ korrelation mellan gränssnittssteg och mobilitetsanisotropi. Bassaler et al. mätte rörligheten för Hall-stänger längs olika kristallografiska riktningar; resultaten sammanfattas i tabell 1.

Tabell 1 Arkresistans och elektronrörlighet för tunnkanalstrukturen längs olika kristallografiska riktningar (data från Bassaler et al., 2022, Tabell II)

Kristallografisk riktning	Plåtmotstånd (Ω/□)	Rörlighet (cm²/(V·s))
[-12-10]	2419 ± 114	136 ± 14
[01-10]	2280 ± 97	144 ± 14
[11-20]	1795 ± 70	183 ± 17
[10-10]	1683 ± 73	195 ± 19

Rörligheten är högst längs riktningen [10-10] (195cm²/(V·s)) och lägst längs riktningen [-12-10] (136cm²/(V·s)). Jämfört med stegfördelningen som observeras av TEM i figur 3, är [11-20]-planet exakt riktningen med de tätaste stegen, medan det vinkelräta [10-10]-planet har minst steg. Denna korrespondens bevisar slutgiltigt att ytspridning orsakad av gränsytans grovhet är en viktig orsak till försämring av rörligheten.

2.2 Djupnivåfällor: Energidistributions- och spridningsmekanismer för elektroaktiva defekter

Förutom strukturella defekter är elektroaktiva fällor som fångar och släpper ut bärare lika kritiska. Genom att använda DLTS, Bassaler et al. upptäckte fem elektronfällor (E1–E5) i GaN-kanalen, med aktiveringsenergier från 0,14 till 0,64 eV. Genom att variera den omvända förspänningen (Vᵣ = –5.4V, –6.0V, –6.6V), särskiljde forskarna fällor aktiverade under olika utarmningsförhållanden: vid Vᵣ = –5.4V (2DEG inte helt uttömd) upptäcktes endast grunda fällor E1 och E2; vid Vᵣ = –6.0V (kanalen börjar tömmas) uppträdde också djupfällor E3–E5.

Fig. 4 (a) Normaliserade DLTS-spektra under olika omvända förspänningar (–5,4V, –6,0V, –6,6V); (b) Kapacitans som funktion av temperatur

Analys av fällans ursprung:

• E1 (0,14 eV):Förknippas med kvävevakanser (Vɴ). Liknande fällor observerades av Polenta et al. i bestrålat GaN.
• E2 (0,24 eV):Tillskrivs Vɴ–VGa-komplex.
• E4 (0,46 eV):Möjligen härrörande från kvävevakanser eller dislokationer själva.
• E5 (0,64 eV):Ett typiskt gallium vakans (VGa)-relaterat center.

Det är värt att betona att eftersom ledningsbanden för AlGaN-barriären och AlN-bufferten ligger långt över GaNs, förblir Fermi-nivån mer än 1 eV från ledningsbanden för dessa material med breda bandgap. Följaktligen är alla detekterade fällor belägna inom GaN-kanalen eller vid dess gränssnitt. Bassaler et al. föreslog att gränssnittssteg stör gitterperiodiciteten, vilket ökar sannolikheten för vakansbildning. Dessa elektroaktiva fällor sprider ytterligare 2DEG-elektroner och, tillsammans med gränsytans grovhet, försämrar rörligheten.

3. Från MBE till MOCVD: Optimization Pathways for Materials Growth

Nyckeln till att lösa mobilitetsbegränsningen ligger i att optimera tillväxtprocesser för att minska gränssnittsdefektdensiteter och fångstkoncentrationer. Sena et al. (2025) växte systematiskt AlₓGa₁₋ₓN/AlN dubbla heterojunctions på AlN/sapphire-mallar av MOCVD, med Al-sammansättningen x från 0 till 0,70. Det resulterande AlN-buffertskiktet uppvisade utmärkt kvalitet: en XRD (002) symmetrisk gungkurva FWHM på endast 15 bågsekunder, bättre än de flesta bulk AlN-enkristallsubstrat, motsvarande en skruvdislokationsdensitet så låg som 4,8x10⁵cm⁻²; Atomkraftsmikroskopi gav en ytråhet (RMS) på 0,22 nm över en yta på 5 × 5 μm², vilket uppnådde planhet på atomnivå.

Fig. 5 Kvalitetskarakterisering av ett 1-μm tjockt AlN-buffertskikt på ett safirsubstrat: (a) Optisk mikroskopibild; (b) AFM-bild (5×5μm²); (c) (002) symmetrisk gungkurva; (d) (103) asymmetrisk gungkurva.

Sena et al. (2025) avslöjade vidare det systematiska inflytandet av Al-sammansättning i AlGaN-kanalen på 2DEG-transportegenskaper. När x = 0 (ren GaN-kanal) nådde 2DEG-densiteten så hög som 3,49×10¹³cm⁻²; när x ökade, minskade 2DEG-densiteten långsamt, men för de flesta kompositioner förblev den över 10¹³cm⁻². Hallrörligheten minskade med ökande Al-sammansättning, i överensstämmelse med teoretiska förväntningar baserade på legeringsspridning och ökad effektiv massa. Särskilt rörligheten för de MOCVD-odlade proverna rapporterade av Sena et al. var signifikant högre än för MBE-prover med jämförbara sammansättningar, vilket tillskrivs den lägre gränsytråheten och färre kvarvarande föroreningar som uppnåddes med MOCVD-processen.

XRD reciprok rymdkartläggning visade vidare att vid x = 0,70 var AlGaN-kanalen helt ansträngd i förhållande till AlN-bufferten (relaxationsgrad R = 0%); när x minskade, ökade graden av avslappning gradvis och nådde 41,1 % vid x = 0. Detta indikerar att gitter-missanpassningsspänning i kanaler med låg Al-sammansättning delvis lindras av dislokationsglidning, men kan också introducera ytterligare defekter.

4. Slutsatser och framtidsutsikter

Baserat på ovanstående studier kan följande grundläggande slutsatser dras:

(1) Den ultratunna kanalstrategin förbättrar avsevärt nedbrytningsprestandan. AlGaN/GaN HEMTs med en GaN-kanal under 10 nm på AlN/sapphire-mallar uppnådde en lateral nedbrytningsspänning >10kV och ett nedbrytningsfält på 5MV/cm, vilket visar att AlN-bufferten effektivt kan övervinna spänningsflaskhalsen hos konventionell GaN-on-Si.

(2) Låg rörlighet uppstår från synergistiska effekter av flera defekter. Ytspridning på grund av gränssnittssteg, spridningscentra som tillhandahålls av gängdislokationer och djupfällor relaterade till vakanser i kväve/gallium (E1–E5 detekterad av DLTS, med E4 associerad med dislokationer och E5 med VGa) hämmar kollektivt 2DEG-transport.

(3) MOCVD erbjuder fördelar inom gränssnittsteknik. Jämfört med MBE uppvisar MOCVD-odlade AlN/AlGaN-heteroövergångar lägre gränssnittsgrovhet och högre rörlighet, vilket ger en gångbar väg för att optimera materialkvaliteten.

För att uppnå prestandagenombrott i enheter med ultratunna kanaler kräver därför flerdimensionell synergistisk optimering: (a) reducering av dislokationstätheten i AlN-mallar (t.ex. genom högtemperaturglödgning eller epitaxiell lateral överväxt); (b) optimering av MBE/MOCVD-tillväxtparametrar för att undertrycka gränssnittssteg; (c) att använda in-situ passivering eller dopningskompensation för att neutralisera vakansfällor; (d) balansera Al sammansättning och rörlighet för att hitta det optimala fönstret mellan genombrottsspänning och ledningsförlust. Dessutom har Abid et al. noterade att ett icke-optimerat SiN-passiveringsskikt begränsade genombrottsspänningen på transistornivån till 600 V, vilket indikerar att enhetens bearbetning också måste förbättras samtidigt.

Ultratunnkanaliga AlGaN/GaN HEMTs exemplifierar en teknisk väg att "bryta enhetsgränser genom materialinnovation." Även om den nuvarande mobilitetsfrågan begränsar högfrekvensapplikationer, kommer en fördjupad förståelse av gränssnittsfysik och optimering av tillväxtprocesser att göra det möjligt för denna teknik att inta en betydande position på >1200V högspänningsmarknaden.

Oavsett om du behöver AlN-mallar för forskning eller industriella tillämpningar, vänligen kontakta oss via e-post på[email protected] och [email protected].

 

Referenser:

1. Abid, I., Kabouche, R., Bougerol, C., Pernot, J., Masante, C., Comyn, R., … & Medjdoub, F. (2019). Hög lateral genombrottsspänning i tunnkanaliga AlGaN/GaN transistorer med hög elektronmobilitet på AlN/Sapphire-mallar. Micromachines, 10(10), 690.
2. Bassaler, J., Comyn, R., Bougerol, C., Cordier, Y., Medjdoub, F., & Ferrandis, P. (2022). Transportegenskaper hos en tunn GaN-kanal bildad i en AlO. 9Ga0. 1N/GaN-heterostruktur odlad på AlN/safirmall.Journal of Applied Physics,131(12).
3. Sena, H., Lawton Siukola Thurston, M., Meng, C., & Chowdhury, S. (2025). Systematisk undersökning av AlGaN-kanaler på AlN/safirsubstrat med hjälp av metall-organisk kemisk ångavsättning (MOCVD): Mot högre kristallinitet och lägre ytjämnhet. APL Materials, 13(5).