研究论文

17 超宽禁带AlGaN获得创纪录的低接触电阻率

富铝氮化铝镓（AlGaN）（铝组分>0.75）由于其超宽禁带（>5.32 eV）、高击穿电场和优异的热稳定性，在功率电子学和深紫外（DUV）光电器件应用中具有广阔的前景。然而，在n型富铝AlGaN上形成低电阻率的金属接触仍然是一个重大挑战。这主要是由于MOCVD生长的硅掺杂AlGaN具有较高的施主激活能导致载流子浓度较低，并且其较低的电子亲和能引起了较大的欧姆接触势垒。目前，降低富铝n-AlGaN接触电阻率的主流策略是在其表面原位生长具有较低铝组分的n型渐变AlGaN层。然而，这种方法高度依赖于设备条件和对外延工艺的精确控制。

近日，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）李晓航（Xiaohang Li）教授课题组在无需渐变层的情况下，直接在n型富铝AlGaN上采用了无金（Au-free）的Ti/Al/Ti金属堆栈接触结构 。他们在该工作中通过对器件进行950 °C氮气环境快速热退火处理，成功实现了创纪录的极低接触电阻率。结果表明，退火后n-Al_0.8Ga_0.2N、n-Al_0.86Ga_0.14N和n-Al_0.9Ga_0.1N的比接触电阻率分别达到了1.52×10^-6 Ω·cm²、3.56×10^-6 Ω·cm²和5.79×10^-5 Ω·cm²。这些结果证明了利用无金Ti/Al/Ti金属直接在富铝n-AlGaN上形成低电阻接触取得了重大突破，为下一代功率电子器件和深紫外光电器件的发展提供了切实可行的解决路径。

该文章以题为“Direct fabrication of record low specific resistivity metal contacts for n-type Al_xGa_1−xN (x ≥ 0.8)”发表在Journal of Semiconductors上。

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Direct fabrication of record low specific resistivity metal contacts for n-type Al_xGa_1−xN (x ≥ 0.8)

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18 无缓冲层块体单晶氮化铝衬底上的氮化镓射频晶体管

氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）是支撑5G通信、雷达和卫星通信等应用的最为关键的半导体器件。过去二十余年，GaN射频技术的快速发展主要依赖于硅（Si）、蓝宝石（sapphire）和碳化硅（SiC）等异质衬底。然而，随着器件不断向更高频率、更高功率密度和更高可靠性方向发展，传统异质衬底带来的晶格失配、热失配、缓冲层缺陷和附加热阻等问题逐渐成为限制性能继续提升的重要瓶颈。GaN射频器件的发展已经不是小修小补式的器件性能优化问题，而是需要从底层材料和器件创新设计上寻找新的突破口。

自支撑块材单晶氮化铝（AlN）衬底为这一突破提供了可能。AlN因具有超宽禁带（带隙达6.2 eV)、高热导率、超高绝缘性（比碳化硅衬底高四倍）以及与GaN更好的晶格匹配性，被认为是支撑第二代GaN射频技术的理想衬底之一。如果能够在高品质单晶AlN衬底上直接生长GaN沟道，并省去传统复杂缓冲层，则有望从源头上减少缺陷和热阻，构建一种区别于传统GaN-on-Si、GaN-on-sapphire和GaN-on-SiC路线的新型GaN-on-AlN HEMT技术路线。但受限于高品质单晶AlN衬底质量与稀缺性、预处理工艺和外延技术等多方面因素，国内在AlN基GaN射频器件方面一直未见报道。近日，国防科技大学联合西安电子科技大学，通过体系化的衬底表征与预处理工艺研究、基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）的AlN同质与GaN异质外延生长技术研究和器件制备工艺开发，在1英寸块体单晶AlN衬底上直接生长GaN沟道层，成功制备出无缓冲层AlGaN/GaN HEMT射频器件，为下一代GaN射频技术的发展开启了新的篇章。

实验结果表明，该无缓冲层GaN-on-AlN射频器件二维电子气面载流子浓度约7.3 × 10¹² cm，室温电子迁移率达到2220 cm²/(V·s)，方块电阻为386 Ω/□，具备支持器件研制的条件。制备的RF HEMT在直流测试中，最大漏极电流达到706 mA/mm，最大跨导约250 mS/mm。尽管尚处于研究早期，未采用复杂、先进的制备工艺（器件在无场板等辅助措施），小信号射频测试显示，器件截止频率和最大振荡频率分别达到25.9 GHz和54 GHz，且令人惊喜的是，1.5 GHz频率下器件线性区增益高达25 dB左右。大信号测试中，器件在频率1.5 GHz，VDS = 48 V条件下实现了7.2 W/mm的连续波输出功率密度和40.9%的功率附加效率，并且器件增益在饱和输出功率条件下仍高达20 dB左右。这些结果表明了AlN基GaN射频器件的发展潜力，也验证了基于国产化高品质氮化铝衬底研制GaN射频器件的可行性。

此外，该研究还对无缓冲层GaN-on-AlN结构在热管理方面的潜在优势进行了定量分析。高功率GaN HEMT工作时会产生显著自热效应，而缓冲层和界面热阻往往会阻碍热量从沟道向衬底传导。研究团队通过热输运测量结果分析发现，与含500 nm AlGaN缓冲层的对比结构相比，无缓冲层结构的总热阻降低约44%。这说明，去除缓冲层不仅简化了外延结构，更实现了从GaN沟道到AlN衬底的高效散热路径。

未来，随着大尺寸高质量AlN单晶衬底、低接触电阻工艺、场板结构和表面钝化技术的进一步成熟，基于自支撑单晶AlN衬底的无缓冲层GaN HEMT有望推动GaN射频器件从传统异质衬底迈向以单晶AlN衬底为核心的新阶段，在6G通信、雷达探测、星网通信等领域发挥关键作用。第二代GaN射频技术的大门已悄然开启。

图1. 制备的块体单晶AlN基无缓冲层AlGaN/GaN HEMT外延片和器件。（a）外延片结构示意图、（b）外延片AFM图像、（c）（d）GaN层和AlN衬底的（002）和（102）面的XRD曲线；（e）器件结构示意图及其（f）工艺流程。

图2. 块体单晶AlN基无缓冲层AlGaN/GaN HEMT器件性能。（a）直流输出特性曲线、（b）传输特性曲线及（c）跨导特性；（d）小信号特性及（e）射频功率特性。

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