在具有AlN缓冲层的AlGaN/GaN HEMT中采用Cap-layer工程技术，以提升击穿性能和约翰逊优值（Johnson Figure of Merit）

《Materials Science and Engineering: B》：Cap-layer engineering in AlGaN/GaN HEMTs with AlN buffer for enhanced breakdown and Johnson Figure of Merit

表面工程对AlGaN/GaN HEMT性能的影响研究。通过数值分析比较无盖、GaN盖层和AlN盖层器件的直流与射频特性，发现GaN盖层提升2DEG密度、ON态电流及跨导，AlN盖层进一步优化击穿电压至962V，改善高频特性（fm达114.7GHz），并降低门漏电流。揭示盖层对器件性能的调控机制及工程优化方向。

　　

埃拉普·巴努·普拉卡什（Ellapu Bhanu Prakash）|阿尼尔·普拉萨德·达迪（Anil Prasad Dadi）|维贾伊·迈特拉（Vijay Maitra）|塔塔加塔·戈斯（Tathagata Ghose）|阿肖克·雷（Ashok Ray）|苏尚塔·博尔多洛伊（Sushanta Bordoloi）

印度米佐拉姆邦国立技术学院（National Institute of Technology Mizoram）电子与通信工程系，查尔特兰（Chaltlang），艾佐尔（Aizawl），796012

摘要

本研究对采用不同表面工程策略的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）进行了全面分析。通过数值方法对具有不同盖层配置的器件进行了分析，包括无GaN盖层、有GaN盖层和有AlN盖层的器件，以评估其直流（DC）和射频（RF）性能。系统地评估了这些盖层配置对二维电子气（2DEG）密度、漏电流、跨导、泄漏行为、击穿电压、栅极电容以及高频性能指标的影响。与无盖层器件相比，带有GaN盖层的HEMT表现出更高的导通电流、更好的跨导和更低的栅极泄漏。带有AlN盖层的HEMT进一步展示了优异的性能，包括显著的导通电流增加（697 mA/mm）以及更高的I$\backslash frac\{Io\}\{If\}\; \backslash approx\; 1.62\; \backslash times\; 10^8$比值、更高的击穿电压（962 V）以及改进的约翰逊（Johnson）和巴利加（Baliga）性能指标。这些结果为了解导通状态性能与关断状态可靠性之间的权衡提供了见解，并为通过优化盖层设计高性能AlGaN/GaN HEMTs提供了实用指导。

引言

AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）由于其宽禁带、高临界电场、高电子饱和速度和显著的极化效应，已成为高频、高功率和高温应用中的重要候选器件[1]、[2]、[3]、[4]。在异质界面处形成的高密度二维电子气（2DEG）无需刻意掺杂即可实现，从而具备卓越的电子传输特性[5]、[6]、[7]、[8]。然而，势垒层表面和界面处的施主陷阱会显著影响栅极泄漏、阈值稳定性和击穿电压（VBR），因此表面工程成为提高器件性能的关键方法[9]、[10]、[11]。

盖层工程已被广泛用于减轻这些不利影响，从而改善HEMT的电性能[12]、[13]。传统上，GaN因其优异的电性能和与III族氮化物异质结构的兼容性而被用作盖层材料[14]。薄层GaN盖层能有效抑制表面氧化，减少施主陷阱密度，并降低栅极和漏电流[15]。多项研究表明，GaN盖层可适度增加2DEG浓度，负向移动阈值电压（Vth），降低泄漏电流，提高I$\backslash frac\{Io\}\{If\}\$比值，并通过重新分布栅极附近的电场来增强VBR[16]、[17]。例如，Nie等人[18]研究了不同GaN盖层厚度（0、1、3和5\; nm）对AlGaN/GaN\; HEMTs的影响，发现3\; nm厚的盖层在保持饱和漏电流（Id）的同时，优化了器件性能，降低了泄漏电流并提高了VBR。$

尽管GaN盖层在AlGaN/GaN HEMTs中得到了广泛研究，但关于其对AlInN/GaN或AlInGaN/GaN器件影响的研究相对较少。Chen等人[19]和Sarkar等人[20]表明，在AlInGaN/AlGaN/GaN HEMT中引入GaN盖层可以增加2DEG密度、饱和漏电流和跨导（g$m$），同时降低栅极泄漏电流。这些研究还报告了Vth的负向移动、I$\backslash frac\{Io\}\{If\}\$比值的提高以及VBR的增强，截止频率f$ m$达到了106.7/114.7\; GHz。$

除了GaN之外，其他材料也被探索作为盖层或钝化层。SiN常用于钝化和表面保护，同时也可作为常导通型HEMT的盖层材料。然而，其与III族氮化物半导体的热膨胀系数差异较大，可能会引入热应力[21]、[22]、[23]。InN盖层可以改善某些电性能，但稳定性较差[24]。此外，InGaN和其他合金盖层也显示出不同程度的器件性能提升[25]、[26]。

由于传统盖层在实现高VBR和长期稳定性方面已达到极限[27]，人们开始关注AlN这种材料，其禁带宽度（6.2 eV）更宽，能够承受更高的电场。AlN盖层作为额外的势垒，增强了极化效应并形成了更深的势阱，从而增加了2DEG浓度[28]、[29]。其高热导率进一步提高了高功率操作下的热量散发能力，从而提高了可靠性。AlN的击穿电场约为12 MV/cm，远高于GaN，这为高压应用带来了显著优势[30]、[31]。最新研究表明，带有AlN盖层的AlGaN/GaN HEMT表现出更高的载流子密度、更低的电流坍塌效应、更大的漏电流和更高的VBR[30]、[32]。

尽管已有相关盖层工程的研究，但本工作的创新之处在于考虑了带有AlN缓冲层和多种盖层配置的AlGaN/GaN HEMT。在典型的AlGaN/GaN HEMT中，使用AlN缓冲层可以降低缺陷密度和 threading 位错[33]。此外，AlN与GaN之间的晶格失配会导致较大应变，从而增强极化效应，进而增加2DEG浓度和漏电流。研究内容包括：(a) 无GaN盖层的器件；(b) 有GaN盖层的器件；(c) 有AlN盖层的器件。系统分析了这些表面配置（添加盖层）对2DEG密度、漏电流、跨导、栅极泄漏和VBR的影响。结果为了解导通状态性能与关断状态可靠性之间的权衡提供了新的见解，并为高性能AlGaN/GaN HEMTs的盖层设计提供了可行的指导。

本文的结构如下：第2节描述了器件制造过程及用于分析的数值框架。第3节展示了AlN和AlN盖层对带有AlN缓冲层的AlGaN/GaN HEMTs性能影响的研究结果，包括直流和交流性能（如传输特性、输出特性、击穿行为、栅极电容、截止频率和最大频率）。第4节总结了研究结论。

部分内容摘录

器件设计描述

图1展示了(a) 无盖层的传统HEMT结构，(b) 带有GaN盖层的结构，以及(c) 带有AlN盖层的结构。数值分析中采用蓝宝石衬底作为基底材料，在衬底上覆盖了$2\; \backslash mu\; m$厚的AlN缓冲层，以缓解晶格失配并抑制位错。

结果与讨论

本节系统研究了盖层对器件性能的影响。首先评估了无盖层和有GaN盖层（图1(a)–(b)）器件的直流和射频特性，并进行了比较。随后提出了使用AlN盖层的替代方案（图1(c)）。本研究全面分析了关键器件特性，包括输出特性、传输特性、漏电流行为和VBR。

结论

本研究通过基于TCAD（Transportation-Coupled Adsorption-Diffusion）的方法，评估了GaN和AlN盖层对带有AlN缓冲层的AlGaN/GaN HEMTs性能的影响。结果清楚地表明，表面和盖层工程在决定这些器件的直流和射频特性方面起着决定性作用。加入GaN盖层有效增强了表面钝化效果，提高了2DEG密度和导通电流及跨导。

作者贡献声明

埃拉普·巴努·普拉卡什（Ellapu Bhanu Prakash）：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、方法论设计、数据分析、数据整理。阿尼尔·普拉萨德·达迪（Anil Prasad Dadi）：软件开发、数据分析。维贾伊·迈特拉（Vijay Maitra）：软件开发、数据分析。塔塔加塔·戈斯（Tathagata Ghose）：数据可视化、软件开发。阿肖克·雷（Ashok Ray）：撰写 – 审稿与编辑、验证。苏尚塔·博尔多洛伊（Sushanta Bordoloi）：撰写 – 审稿与编辑、指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本项工作是在Bordoloi Ray小组（BRG）的协作下完成的，该小组由米佐拉姆国立技术学院（NIT Mizoram）的助理教授苏尚塔·博尔多洛伊（Sushanta Bordoloi）和NERIST的副教授阿肖克·雷（Ashok Ray）领导。作者感谢印度政府（MeiTY）通过C2S项目（项目编号：EE-9/2/2021-R&D-E，日期：2023年5月22日）对米佐拉姆国立技术学院电子与通信工程系的支持。作者还感谢MeiTY为NERIST（阿鲁纳恰尔邦）提供免费的EDA工具。