瑞典的研究人員在碳化硅（SiC）上生長出更薄的IIIA族氮化物結構，以期實現高功率和高頻薄層高電子遷移率晶體管（T－HEMT）和其他器件。

從圖1可以看出，新結構采用高質量的60nm無晶界氮化鋁（AlN）成核層，而不是大約1－2μm厚的氮化鎵（GaN）緩沖層，以避免大面積擴展缺陷。 成核層允許高質量的GaN在0．2μm的厚度內生長。

圖1：（a）常規(guī)和（b）低TBR AlN成核，沿GaN ／ AlN ／ SiC界面沿［11－20］方向的橫截面TEM圖像。 （c）GaN ／低TBR AlN NL ／ SiC的HRTEM圖像。（d）GaN ／低TBR AlN NL界面處的HRTEM。（e）低TBR AlN NL ／ SiC界面處HRTEM圖像。

正常厚度的緩沖層用于轉變和降低由于GaN和SiC之間3．5％晶格失配所引起的缺陷。需注意的是GaN與藍寶石和硅等其他襯底的失配率要高得多。這樣的緩沖層會為高功率和高頻器件帶來許多問題。這些層通常會摻雜碳或鐵以增加電阻，目的是將電流限制在溝道區(qū)域，避免寄生傳導的泄漏效應。這些摻雜無會產生電荷俘獲狀態(tài)，這可能導致其對性能的負面影響，例如射頻操作中的電流崩潰。

另外，較薄的器件還應具有較低的熱阻，從而改善熱管理。來自SweGaN AB，查爾姆斯理工大學和林雪平大學的團隊評論說：“GaN ／ AlN ／ SiC界面產生的空洞和位錯等結構缺陷會引入熱邊界電阻（TBR），導致HEMT中通道溫度升高30－40％ 。”

降低昂貴材料的需求量是該項工作的另一個亮點。據研究人員估計，包括前體和氣體在內的原材料需求量將降低90％，同時由于所需的生長時間縮短，處理成本也隨之降低。

新的AlN成核工藝避免了導致柱狀生長的顆粒狀形態(tài)的產生——造成的這種缺陷會被帶入覆蓋的GaN中。 通常情況下，顆粒形態(tài)的產生是由于生長表面上鋁原子的低遷移率造成的。

IIIA氮化物材料在硅面4H－SiC上生長。 熱壁金屬有機化學氣相沉積法（MOCVD）用于制造具有60nm AlN成核，200nm GaN溝道，高達1．5nm的AlN中間層，10－14nm AlGaN勢壘（～30％Al）的外延結構， 和2nm GaN蓋帽層。 采用低熱邊界電阻（低TBR）技術生產的60nm AlN可由熱壁生長實現。

盡管結構厚度更薄，但在低108 ／cm－2范圍內的穿透位錯密度比具有相同厚度的典型GaN層低兩個數量級，研究人員如此估計。在具有2nm GaN帽和14nm Al0．29Ga0．71N勢壘的結構上的非接觸式霍爾測量得到9．8×10 12／cm 2的二維電子氣（2DEG）密度和2050cm 2 ／ V－s遷移率。 薄層電阻為315Ω／m2。

測試T－HEMT是在具有2nm GaN帽，10nm Al0．3Ga0．7N勢壘和1nm AlN中間層的材料上制備的。 基于鉭的觸點用于源極／漏極，接觸電阻為0．3Ω－mm。

圖2：（a）直流漏極電流 － 電壓（IDS－VDS）特性，（b）傳輸特性以及10V漏極偏置（VDS）下的柵極和漏極電流與柵極電壓（VGS）的函數關系，（c）跨導（ gm）作為柵極電位的函數，和（d）作為T－HEMT的VDSQ的函數的射頻輸出功率密度。 （e）沒有頂部活性層的異質結構的垂直和側向擊穿特性。

該器件實現了1．1A ／ mm的高導通電流密度和1．3Ω－mm的低歸一化導通電阻。（圖2）飽和電流可維持高達30V的漏極偏壓。采用10V漏極偏壓時，夾斷很明顯，跨導達到500mS ／ mm。 閾值擺幅取決于柵極長度：0．1μm為250mV ／ decade，0．2μm為130mV ／ decade。 對于0．1μm和0．2μm的柵極，擊穿電壓分別為70V和140V。

研究人員表明“擊穿電壓和柵極長度之間的線性關系表明，由于柵極長度和柵極 － 漏極間距的限制，擊穿是橫向發(fā)生的?！?/p>

柵極 － 漏極間距為2μm，遠遠低于通常用于GaN HEMT的通常10－20μm，目的是為了提高功率性能。而傳統的GaN功率HEMT具有微米級的柵極長度。

30GHz時的負載牽引測量在40V漏極 － 源極靜態(tài)偏置（VDSQ）下產生5．8W ／ mm的峰值射頻功率密度。

在沒有上AlN ／ AlGaN層的外延疊層上的擊穿測量在橫向和垂直方向上產生高達1．5kV擊穿電壓。 該團隊說：“在這兩種情況下，擊穿是由于觸點的不良劃定。 因此，預期堆疊的實際擊穿電壓會更高。也就是說，擊穿受表面限制，并證實沒有界面載體?！?/p>