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2025-11-18 更新
High Mobility Multiple-Channel AlScN/GaN Heterostructures
Authors:Aias Asteris, Thai-Son Nguyen, Chuan F. C. Chang, Chandrashekhar Savant, Pierce Lonergan, Huili Grace Xing, Debdeep Jena
Aluminum scandium nitride (AlScN) is a promising barrier material for gallium nitride (GaN)-based transistors for the next generation of radio-frequency electronic devices. In this work, we examine the transport properties of two dimensional electron gases (2DEGs) in single- and multi-channel AlScN/GaN heterostructures grown by molecular beam epitaxy, and demonstrate the lowest sheet resistance among AlScN-based systems reported to date. Assorted schemes of GaN/AlN interlayers are first introduced in single-channel structures between AlScN and GaN to improve conductivity, increasing electron mobility up to $1370$ cm$^{2}$/V$\cdot$s at 300 K and $4160$ cm$^{2}$/V$\cdot$s at 77 K, reducing the sheet resistance down to 170 $Ω/\square$ and 70 $Ω/\square$ respectively. These improvements are then leveraged in multi-channel heterostructures, reaching sheet resistances of 65 $Ω/\square$ for three channels and 45 $Ω/\square$ for five channels at 300 K, further reduced to 21 $Ω/\square$ and 13 $Ω/\square$ at 2 K, respectively, confirming the presence of multiple 2DEGs. Structural characterization indicates pseudomorphic growth with smooth surfaces, while partial barrier relaxation and surface roughening are observed at high scandium content, with no impact on mobility. This first demonstration of ultra-low sheet resistance multi-channel AlScN/GaN heterostructures places AlScN on par with state-of-the-art multi-channel Al(In)N/GaN systems, showcasing its capacity to advance existing and enable new high-speed, high-power electronic devices.
铝钪氮化物（AlScN）是下一代射频电子设备的氮化镓（GaN）基晶体管中很有前景的阻挡层材料。在这项工作中，我们研究了通过分子束外延生长的单个和多个通道AlScN/GaN异质结构中二维电子气体（2DEG）的传输特性，并展示了迄今为止报道的基于AlScN的系统中最低的片电阻。首先在AlScN和GaN之间引入GaN/AlN中间层的单通道结构中改进导电性，提高电子迁移率，在300K时达到$1370$ cm$^{2}$/V·s，在77K时达到$4160$ cm$^{2}$/V·s，片电阻降低到170 Ω/□和70 Ω/□。然后在多通道异质结构中也利用了这些改进，在300K时三通道片电阻达到65 Ω/□，五通道达到45 Ω/□，在2K时进一步降低到21 Ω/□和13 Ω/□。结构表征表明其伪形态生长具有光滑的表面，而在高钪含量时观察到部分势垒松弛和表面粗糙，但不影响迁移率。首个超低片电阻多通道AlScN/GaN异质结构的演示使AlScN与最先进的多通道Al（In）N/GaN系统并驾齐驱，展示了其在推动现有和新兴高速、高功率电子设备方面的能力。
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PDF 10 pages, 10 figures
摘要
第三代铝钪氮化物（AlScN）作为新一代射频电子设备的氮化镓（GaN）基晶体管的阻挡材料前景广阔。本研究通过分子束外延生长技术对单通道和多通道AlScN/GaN异质结构中的二维电子气（2DEG）传输特性进行了研究，并展示了迄今为止报道的基于AlScN系统的最低面电阻率。通过在AlScN和GaN之间引入GaN/AlN夹层来改善导电性，电子迁移率提高至300K下的$1370$厘米²/V·秒和77K下的$4160$厘米²/V·秒，面电阻率降低至$170 Ω/\square$和$70 Ω/\square$。这些改进被应用于多通道异质结构，在300K下达到三面电阻率为$65 Ω/\square$和五面电阻率为$45 Ω/\square$，并在2K下进一步降低至$21 Ω/\square$和$13 Ω/\square$。这表明存在多个二维电子气。结构表征显示伪形态生长具有平滑表面，而在高钪含量下观察到部分势垒松弛和表面粗糙，但不影响迁移率。首次展示的超低面电阻多通道AlScN/GaN异质结构将AlScN置于与最先进的Al（In）N/GaN系统同等地位，展现了其在推动现有技术和实现新型高速、高功率电子设备方面的潜力。
关键见解
- AlScN作为一种阻挡材料在GaN基晶体管中有广泛应用前景，特别是在下一代射频电子器件中。
- 研究了单通道和多通道AlScN/GaN异质结构的二维电子气传输特性。
- 通过引入GaN/AlN夹层改善了导电性，提高了电子迁移率并降低了面电阻率。
- 在多通道异质结构中实现了超低面电阻率。
- 结构表征显示平滑表面的伪形态生长，部分势垒松弛和表面粗糙现象在高钪含量下被观察到。
- 这种多通道AlScN/GaN异质结构的表现与最先进的Al（In）N/GaN系统相当，展现出其推动现有技术和开发新型高速、高功率电子设备的能力。