瑞典的研究人員在碳化硅（SiC）上生長出更薄的IIIA族氮化物結(jié)構(gòu),，以期實現(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,，以避免大面積擴展缺陷,。 成核層允許高質(zhì)量的GaN在0．2μm的厚度內(nèi)生長,。
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與藍寶石和硅等其他襯底的失配率要高得多,。這樣的緩沖層會為高功率和高頻器件帶來許多問題。這些層通常會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)。這些摻雜無會產(chǎn)生電荷俘獲狀態(tài),，這可能導(dǎo)致其對性能的負面影響,，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。來自SweGaN AB,，查爾姆斯理工大學(xué)和林雪平大學(xué)的團隊評論說：“GaN ／ AlN ／ SiC界面產(chǎn)生的空洞和位錯等結(jié)構(gòu)缺陷會引入熱邊界電阻（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工作的另一個亮點,。據(jù)研究人員估計，包括前體和氣體在內(nèi)的原材料需求量將降低90％,，同時由于所需的生長時間縮短,，處理成本也隨之降低。
新的AlN成核工藝避免了導(dǎo)致柱狀生長的顆粒狀形態(tài)的產(chǎn)生——造成的這種缺陷會被帶入覆蓋的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,。 熱壁金屬有機化學(xué)氣相沉積法（MOCVD）用于制造具有60nm AlN成核,，200nm GaN溝道，高達1．5nm的AlN中間層,，10－14nm AlGaN勢壘（～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可由熱壁生長實現(xiàn),。
盡管結(jié)構(gòu)厚度更薄,，但在低108 ／cm－2范圍內(nèi)的穿透位錯密度比具有相同厚度的典型GaN層低兩個數(shù)量級，研究人員如此估計,。在具有2nm GaN帽和14nm Al0．29Ga0．71N勢壘的結(jié)構(gòu)上的非接觸式霍爾測量得到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。
測試T－HEMT是在具有2nm GaN帽,，10nm Al0．3Ga0．7N勢壘和1nm AlN中間層的材料上制備的,。 基于鉭的觸點用于源極／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30V的漏極偏壓,。采用10V漏極偏壓時,，夾斷很明顯，跨導(dǎo)達到500mS ／ mm,。 閾值擺幅取決于柵極長度：0．1μm為250mV ／ decade,，0．2μm為130mV ／ decade。 對于0．1μm和0．2μm的柵極,，擊穿電壓分別為70V和140V,。
研究人員表明“擊穿電壓和柵極長度之間的線性關(guān)系表明，由于柵極長度和柵極 － 漏極間距的限制,，擊穿是橫向發(fā)生的,。”
柵極 － 漏極間距為2μm,，遠遠低于通常用于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具有微米級的柵極長度,。
30GHz時的負載牽引測量在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量在橫向和垂直方向上產(chǎn)生高達1．5kV擊穿電壓。 該團隊說：“在這兩種情況下,，擊穿是由于觸點的不良劃定,。 因此，預(yù)期堆疊的實際擊穿電壓會更高,。也就是說,，擊穿受表面限制，并證實沒有界面載體,?！?/p>