康奈尔大学 AlScN/GaN 异质结构研究“单通道和多通道 AlScN 势垒”

康奈尔大学的研究团队声称利用铝钪氮AlScN势垒开发的氮化镓GaN单通道和多通道异质结构实现了迄今为止最低的薄层电阻Sheet Resistance。这项工作旨在推动下一代高速、高功率 GaN 基电子学的发展。速读研究重点在于通过优化结构来降低电阻。以下是单通道与多通道结构的主要性能对比核心发现与技术细节多通道结构的突破为了进一步降低电阻研究人员探索了多通道结构。通过使用 1nm/2nm 的 GaN/AlN 间隔层他们成功制备了多通道异质结构。极低电阻在 5 层周期结构中使用 5nm 厚的 AlScN 势垒Sc 含量 18%实现了45 Ω/□Ω/□的极低薄层电阻。无寄生通道尽管能带模拟预测了二维空穴气2DHG的存在但实验中未检测到。研究人员认为如果存在也因其迁移率远低于 2DEG二维电子气而被掩盖。不过他们指出 2DHG 会构成寄生并联导电通道损害器件性能建议通过有意掺杂来抑制。晶圆级扩展性Scalability研究人员不仅在小尺寸7mm x 7mm的蓝宝石衬底上生长还在50mm 直径的晶圆上成功生长了异质结构。均匀性测试显示薄层电阻在晶圆表面的均匀性很高标准差仅为 9.8 Ω/□Ω/□ 这证明了该技术向大规模制造扩产的可行性。低温性能在低温77K液氮温度下薄层电阻甚至更低约为室温的 1/3。这为开发新型低温器件如低插入损耗射频开关提供了可能。3. 结构设计与挑战应变平衡AlScN 提供压缩应变以平衡 AlN 的拉伸应变。但 Sc 含量超过 25% 时材料容易形成混合相且高 Sc 含量会降低 2DEG 浓度反而增加电阻。间隔层的作用GaN 间隔层的引入是为了增加距离而不至于过快增加 2DEG 密度密度过高会导致迁移率下降。制造考量器件结构的选择需根据应用场景优化薄结构有利于栅极静电控制适用于高速部署。厚结构提供更好的导电性/导通电阻适用于功率应用。4. 行业基准Benchmark根据论文中的图表Figure 4康奈尔大学的 AlScN 结构性能已接近目前最先进的多通道 III-氮化物系统它的薄层电阻45 Ω/□Ω/□ 接近于 AlN/GaN约 36 Ω/□Ω/□ 和 AlInN/GaN 报告的水平。这标志着 AlScN 成为一种极具竞争力的势垒材料用于高性能 GaN 器件。编者按这项研究证明了 AlScN/GaN 多通道异质结构在降低电阻和提升高频性能方面的巨大潜力并验证了其在更大尺寸晶圆上生长的均匀性为未来的商业化应用奠定了基础。