【国际论文】具有 2 kV和 600 GHz工作性能的新型氮化铝/β-氧化镓高电子迁移率晶体管

        本研究利用 AlN 和 Ga₂O₃ 的材料特性开发出一种高性能 AlN/Ga₂O₃ 异质结构半导体器件，以满足当今大功率和射频/微波电子应用的需求。AlN 是一种高度极化的超宽带隙半导体，其带隙为 6.2 eV，具有优异的热导率。相反，带隙为 4.9 eV 的 β-Ga₂O₃ 被公认为是一种稳定的超宽带隙半导体，特别适合电力电子应用。然而，它面临着热导率低、难以实现 p 型掺杂以及体缺陷密度高等限制。然而，通过在 β-Ga₂O₃ 上生长 AlN 薄外延层，可以结合 AlN 的潜在优势和 β-Ga₂O₃ 的挑战，以实现高性能电力电子器件。 AlN/β-Ga₂O₃ 异质界面处较高的二维电子气密度（1.395 × 10¹⁴ cm⁻² ）以及高达 2 kV 的直流和射频特性，展现了该器件的高电压和高功率处理能力，而 600 GHz 的截止频率使其非常适合射频/微波应用。与以往仅报告孤立性能指标的研究不同，本研究对势垒厚度调节（10-100 nm）进行了全面分析，并将其与直流、射频和二维电子气特性关联起来。这为 AlN/β-Ga₂O₃ HEMT 设计的优化策略提供了更深入的见解，是对现有知识体系的全新贡献。

        在 AlN/β-Ga₂O₃ 异质界面处自洽求解一维薛定谔方程和泊松方程，得到本征能量，表明异质界面处形成了 2DEG。所提出的 AlN/β-Ga₂O₃ HEMT 在异质界面处可产生 1.395 × 10¹⁴  cm^-2 的高 2DEG 密度和 4 MV/cm 的高电场。从直流特性得出结论，随着 AlN 厚度从 10 变为 100 nm，阈值电压分别从 ~ 0 V 负增加到 − 55 V；峰值跨导分别从 260 变为 90 S。然而，亚阈值斜率从 1250 增加到 2500 mV/dec，这表明可能存在强短沟道效应、陷阱辅助传导或界面质量问题。 AlN 厚度为 100 nm 的异质结构器件在 2 kV 电源电压、3 V栅极电压下传导近乎恒定的 16 A 电流，展现出其在超高压和大功率电子器件中的潜在应用。通过频率分析，由所提出的 AlN 厚度为 100 nm 的 AlN/β-Ga₂O₃ HEMT 获得了 600 GHz的截止频率（f_t） ，最大振荡频率（f_max）超过1 THz，展现出其在射频/微波应用方面的潜在能力。

图1 AlN/β-Ga₂O₃ HEMT的3D结构

图2 AlN/β-Ga₂O₃ 异质界面 2DEG 的形成及本征能量（子带）

DOI：

doi.org/10.1007/s00542-025-05927-9