據(jù)《今日半導(dǎo)體》2019年5月2日報道，美國海軍研究實驗室（NRL）的一組研究人員聲稱，記錄了氮化鋁鎵（AlGaN）勢壘高電子遷移率晶體管（HEMT）的直流功率密度。研究人員用金剛石替換外延生長III族氮化物器件層的硅襯底，來實現(xiàn)晶體管的高功率，增強(qiáng)熱管理能力。

該團(tuán)隊的目標(biāo)是實現(xiàn)商用和軍用電子產(chǎn)品所需的高頻率性能和高功率密度。由于金剛石優(yōu)異的導(dǎo)熱特性，先前已用來傳導(dǎo)高頻和高功率應(yīng)用中產(chǎn)生的高溫。采用的熱傳導(dǎo)技術(shù)其一是晶圓鍵合方式，而另一種更有吸引力的方式是直接在器件層的背面生長金剛石。

在先前工作的基礎(chǔ)上，NRL領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊倒轉(zhuǎn)了GaN/Si基片并去除了硅襯底。蝕刻掉暴露的N極III-N成核層，留下約700nm厚度的GaN緩沖層。元素六公司（ElementSixTechnologies）在厚多晶金剛石層的化學(xué)氣相沉積（CVD）之前施加了30nm的氮化硅（SiN）勢壘層。

NRL的HEMT結(jié)構(gòu)采用20nmAl0.2Ga0.8N勢壘層，臺面等離子體蝕刻，鈦/鋁/鎳/金歐姆源極-漏極接觸沉積和退火，鎳/金肖特基柵極沉積，鈦/金接觸墊料覆蓋和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）氮化硅鈍化工藝。該HEMT的制作步驟分為在用金剛石替換硅襯底之前和之后兩個階段，并優(yōu)化了氮化硅鈍化性能以避免在脈沖操作下發(fā)生電流崩塌。

研究人員報告說：“室溫霍爾測量和直流電流-電壓特性表明，襯底側(cè)工藝不會顯著影響HEMT的遷移率和載流子面密度，從而影響其導(dǎo)通電阻。此外，僅觀察到對閾值電壓和跨導(dǎo)的微小影響?！?/span>

熱反射成像（TRI）顯示，在功率密度為15W/mm直流操作下，硅襯底HEMT的漏源交界處溫度升高，超過了150°C（圖1）。相比之下，金剛石襯底HEMT在功率密度為24.2W/mm時，漏源交界處的溫度沒有明顯升高。功率密度高于24.2W/mm時，金剛石襯底HEMT的漏源交界處溫度確實會升高，主要是由于柵極漏電流所致。即便如此，在功率密度為56W/mm條件下，在漏源交界處的溫度也沒有高于176℃。最高溫度產(chǎn)生于漏極邊緣的柵極區(qū)域，為205℃。

以金剛石為襯底的GaNHEMT（GaNDi-2）的熱阻值低至2.95°C-mm/W。之前的金剛石替代工藝下制造出的GaNHEMT（GanDi-1）的熱阻值更高，為3.91°C-mm/W。較高的熱阻值歸因于金剛石襯底的交界面處的缺陷。透射電子顯微鏡（TEM）顯示了GaNDi-1樣品的30nm氮化硅層和GaN界面處的納米尺寸空隙（圖2）。相比之下，GaNDi-2樣品實現(xiàn)了“鋒利的GaN-金剛石界面和更低的熱阻”。原硅襯底（GaNSi-1和2）上的GaNHEMT的熱阻則更高。

研究人員建議，減薄或消除氮化硅勢壘層可以將熱阻降低，最多可達(dá)48％。然而，此過程還需要消除界面中的空隙。(中國電科13所趙元英)