一種用于重?fù)诫sn型接觸的選擇性刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)了AlN/GaN HEMT的縮小

上圖：原位SiN/AlN/GaN HEMT外延堆疊示意圖

俄亥俄州立大學(xué)的工程師們宣稱，他們已經(jīng)打開了一扇大門，有望制備出尺寸小得多、工作頻率高得多的AlN/GaN HEMT。

該團(tuán)隊(duì)的突破涉及原位鈍化和使用選擇性刻蝕工藝添加再生長(zhǎng)重?fù)诫sn型接觸。

AlN/GaN HEMT是一類極具前景的晶體管，可用于射頻和功率器件。與更傳統(tǒng)的AlGaN/GaN形式的III-N HEMT相比，AlN/GaN HEMT不存在合金散射，且具備高得多的二維電子氣密度和電子遷移率，分別高達(dá)4 x 1013 cm-2，以及介于1000 cm2 V-1 s-1和1800 cm2 V-1 s-1之間。

早在2010年，HRL Laboratories的Keisuke Shinohara及其同事就報(bào)道了AlN/GaN HEMT的截止頻率值和最大振蕩頻率值，分別為220 GHz和400 GHz。俄亥俄州立大學(xué)的工程師們表示，通過(guò)縮小源極-漏極間距，可以獲得更好的性能。然而，這在傳統(tǒng)工藝中并不容易實(shí)現(xiàn)，需要使用SiO2進(jìn)行再生長(zhǎng)和剝離步驟。

據(jù)稱，俄亥俄州立大學(xué)的方法提供了一種替代方案，有助于制備具有極低接觸電阻的高度微縮化HEMT。

為了證明其新工藝的潛力，俄亥俄州立大學(xué)的工程師們用外延片制備了AlN/GaN HEMT，該外延片包含AlN成核層、1.5 mm厚的半絕緣緩沖層、100 nm厚的無(wú)意摻雜GaN溝道、5.8 nm厚的勢(shì)壘和4.3 nm厚的原位SiN層。根據(jù)霍爾效應(yīng)測(cè)量結(jié)果，該外延結(jié)構(gòu)中二維電子氣的載流子密度為2.2 x 1013 cm-2，電子遷移率為1060 cm2 V-1 s-1。

制備器件的第一步是進(jìn)行選擇性刻蝕，以暴露二維電子氣的側(cè)壁，使源極-漏極間距達(dá)到3 mm。通過(guò)鎵拋光從二維電子氣的表面和側(cè)壁吸附低價(jià)氧化物后，研究團(tuán)隊(duì)將處理過(guò)的外延片裝入MBE室，并沉積了一層重?fù)诫sn型GaN，其生長(zhǎng)高度高出SiN表面20 nm。這種方法旨在確保側(cè)壁與二維電子氣接觸?；瘜W(xué)刻蝕可選擇性去除未刻蝕原位SiN層上形成的多晶GaN，從而暴露出柵極的有源區(qū)。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)各種形式的電子顯微鏡分析了加工晶圓的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)刻蝕邊緣及再生長(zhǎng)界面處沒有明顯的位錯(cuò)或邊界，顯示出高質(zhì)量的晶格匹配n型GaN再生長(zhǎng)。

為完成AlN/GaN HEMT的制備，研究團(tuán)隊(duì)使用等離子體刻蝕形成了一個(gè)臺(tái)面，利用電子束蒸發(fā)在再生長(zhǎng)GaN區(qū)域上添加了非合金金屬堆疊，并通過(guò)光刻和電子束蒸發(fā)形成了0.7 mm的Ni/Au柵極。

通過(guò)聚焦離子束掃描隧道電子顯微鏡仔細(xì)觀察這些晶體管，發(fā)現(xiàn)鈦和SiN之間的界面平直清晰。這表明加工過(guò)程未對(duì)SiN薄層造成任何破壞或損傷，因此SiN薄層可以起到防止AlN表面暴露在外的作用。

掃描電子顯微鏡圖像顯示，再生長(zhǎng)n型GaN的邊緣平直清晰，銳度極高。與此相反，采用傳統(tǒng)剝離工藝制備的對(duì)照器件的圖像顯示出不規(guī)則的粗糙邊緣，這一缺點(diǎn)制約了器件的大幅縮小。

HEMT的霍爾效應(yīng)測(cè)量值與外延片的霍爾效應(yīng)測(cè)量值相似，表明加工過(guò)程沒有造成表面損傷。

工程師們測(cè)得的界面電阻為0.058 Ω mm，接近理論值。基于這一發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們的刻蝕工藝不會(huì)使再生長(zhǎng)n型GaN與經(jīng)過(guò)刻蝕的二維電子氣側(cè)壁之間的界面發(fā)生退化。

對(duì)柵極長(zhǎng)度為0.7 μm的HEMT進(jìn)行電學(xué)測(cè)量，測(cè)得的最大跨導(dǎo)為0.25 S mm-1，線性擬合和外推法表明其閾值電壓為-4.9 V。最大漏極電流為1.57 mA mm-1，柵極電壓為1 V時(shí)的導(dǎo)通電阻為1.85 Ω mm。擊穿電壓為23.3 V，與采用傳統(tǒng)工藝制備的對(duì)照器件相近，表明俄亥俄州立大學(xué)工程師的選擇性刻蝕工藝不會(huì)降低擊穿性能。

參考文獻(xiàn)

C. Cao et al. Appl. Phys. Express 18 036501 (2025)

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審核編輯 黃宇