近日，美国亚利桑那州立大学（ASU）就单晶AlN衬底上的高压AlN金属半导体场效应晶体管（MESFET）进行了报告 [Bingcheng Da et al, Appl. Phys. Express, v17, p104002, 2024]。研究人员们表示，这项工作是“在原生衬底上通过同质外延生长实现AlN晶体管”的首次报道。
图1：（a）制备的AlN MESFET的横截面示意图和（b）顶视显微镜图像。
研究人员们使用位错密度为103/cm2的AlN衬底来制备AlN MESFET（图1）。采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，以三甲基铝（TMAl）、氨（NH3）和硅烷（SiH4）为前驱体来生长外延结构。生长条件是1250°C的温度和20Torr的压力。生长过程中添加了氮化镓覆盖层，以保护AlN不受空气氧化的影响。生成的材料表面粗糙度为0.4nm，位错密度为104/cm2。
研究团队评论道：“与蓝宝石上的异质外延AlN相比，单晶AlN衬底上的同质外延AlN的位错密度要低三个数量级，这可以提高AlN器件的性能。”
MESFET器件的制备采用了电感耦合等离子体反应离子刻蚀，在AlN阻隔缓冲层中刻蚀700nm深；沉积退火的钛/铝/镍/金欧姆接触源/漏（S/D）极；以及沉积镍/金栅极。
源极-栅极（sg）长度和栅极长度均为2μm。为了研究导通电阻和击穿电压之间的权衡，栅极-漏极（gd）长度不等（2-15μm）。Lgd越长，导通电阻越大（坏），但峰值电场越低，从而使击穿电压越高（好）。
室温（RT=298K）和473K之间的电学特性分析表明，在较高温度下，接触电阻率（ρc）和方块电阻（Rsh）均有所降低：室温下分别为0.77Ω-cm2和2.4x107Ω/square；473K时分别为0.15Ω-cm2和6.6x105Ω/square。
研究人员评论道：“高温下接触电阻率降低，可能是由于热激发电子通过有效的较薄势垒和/或热电子发射，从而更容易通过金属/AlN界面。”
Lgd为2μm的MESFET实现了常开工作，在栅极（Vgs）电压低于-20V时会出现夹断。对于许多应用来说，提供常关性能的正阈值是更可取的，但AlN晶体管的开发可能还处于早期阶段，还没考虑到这一点！
研究团队表示，Vgs为9V时，室温下的最大漏极电流（Ids）达到56μA/mm——“是已报告的AlN-on-sapphire MESFET的6倍”。研究人员继续解释道：“Ids之所以会增大，是因为相比于蓝宝石上AlN层的方块电阻（8x107Ω/平方），同质外延AlN层的方块电阻（2.4x107Ω/平方）更低。”最大跨导达到1.49μS/mm。
Lgd为8μm的器件显示出最低的室温关断电流（3.3x10-8A/mm），导通/关断比为700。研究团队表示，其导通/关断比虽然与其他材料系统的商用晶体管相比较低，但却是之前的AlN-on-sapphire MESFET的6倍左右。
在整个温度范围为298-473K的实验中，Vgd为-20V时，通过肖特基栅极的反向栅极漏电流小于1.7x10-9A/mm。研究人员报告称：“反向栅极漏电流几乎是恒定的，显示了随着温度的升高，栅极控制保持稳定。”
随着温度从室温升至473K，最大漏极电流和跨导均增大：分别从2.06x10-5A/mm增至3.42x10-4A/mm；从1.19x10-6mS/mm增至2.45x10-5mS/mm。
研究人员解释道：“随着温度从室温上升到500°C，电子浓度从1x1015/cm3大幅增至5.6x1017/cm3，而迁移率的降幅相对较小，从156cm2/V-s降至52cm2/V-s。因此，随着温度的升高，n型AlN层的电导率增大，导致高温下的输出性能增强。这与GaN、SiC等传统宽禁带半导体形成鲜明对比，由于声子散射导致电子迁移率显著降低，基于GaN、SiC等传统宽禁带半导体的FET的整体正向性能会随着温度的升高而下降。”
室温下的关态击穿（图2）是通过器件边缘的破坏性失效产生的。研究人员们指出，这一击穿源于电场拥挤效应。栅极电位为-30V。Lgd最长（15μm）的器件实现了2010V的击穿电压，在对比图中位居第二，仅次于击穿电压为2.3kV、Lgd为25μm的蓝宝石基晶体管。然而，亚利桑那州立大学的结构使平均电场（1.25MV/cm）提高了25%。亚利桑那州立大学器件较短的Lgd使其在2kV额定击穿电压下具有更高的电导率。
展望未来，亚利桑那州立大学团队报告称：“目前正在进一步工作中实施电场管理方法（如场板），以提高击穿场强。”
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