基于氮化镓（GaN）的高电子迁移率晶体管（HEMT）是一种场效应晶体管（FET），其设计旨在实现极高频率和低噪声工作。因此，它们广泛应用于高功率和高频应用，例如高速无线通信、功率开关器件和功率放大器。

图片来源： TUS

HEMT采用异质结，即两种不同半导体材料（通常是GaN和铝氮化镓（AlGaN））之间的连接。该连接形成一个称为二维电子气（2DEG）的狭窄区域，其中电子具有极高的迁移率，从而带来卓越的高频性能。

氮化铝钪（ScAlN）作为一种新型势垒材料，能够进一步提升GaN HEMT的性能，备受关注。它表现出较大的极化，从而提高了2DEG中的电子密度。此外，其铁电特性使其适合用作铁电HEMT中的铁电栅极材料。

这种栅极能够对2DEG进行动态控制，从而有可能丰富GaN基器件的功能。在GaN上生长ScAlN层的传统方法需要复杂的工艺和较高的加工温度。

相比之下，溅射是一种很有前景的替代方法，它只需极少的装置，并有可能进行低温处理。然而，目前关于在GaN上基于溅射生长ScAlN的研究仍然有限，生长温度对其电学和结构特性的影响尚不清楚。

据外媒报道，在一项新的研究中，由日本东京理科大学（TUS）材料科学与技术系副教授Atsushi Kobayashi领导的研究团队成功地利用溅射技术在AlGaN/GaN异质结构上生长了ScAlN薄膜，并研究了生长温度对其特性的影响。他们的研究发表在《APL Materials》期刊上。

Kobayashi博士解释说：“与昂贵而复杂的沉积技术相比，广泛应用于电子制造的溅射技术能够以更低的成本实现ScAlN薄膜的大规模生产，从而使高性能器件更容易获得。”

研究人员通过在不同温度下溅射，在AlGaN/AlN/GaN异质结构上外延生长了钪含量为10%的ScAlN薄膜。随后，他们利用原子力显微镜（AFM）和高能电子衍射研究了薄膜的结构。

分析表明，即使在250°C的低温下也能实现外延生长，并且薄膜表面平整度随着温度升高而提高。值得注意的是，在750°C下生长的样品观察到了清晰的台阶状表面结构，表明其结构质量较高。

霍尔效应测量表明，在750°C下生长的样品的2DEG中的载流子密度达到1.1 × 1013 cm−2，约为不含ScAlN的AlGaN/AlN/GaN异质结构的三倍。相反，在较低温度下生长的薄膜表现出比初始非ScAlN异质结构更低的载流子密度。

这些结果表明，生长温度对于异质结构内2DEG的形成至关重要。750°C下载流子密度的提高归因于结构质量的改善。然而，与初始异质结构相比，所有ScAlN样品中的电子迁移率均有所降低，这可能是由于AlGaN/AlN/GaN界面附近的ScAlN势垒引入的粗糙度和结构缺陷造成的。

Kobayashi博士表示：“这项研究的结果凸显了生长条件在溅射外延ScAlN薄膜中的关键作用。重要的是，我们的研究证明了溅射法在GaN上生长高质量ScAlN层的可行性，为实现带有ScAlN势垒的高性能GaN HEMT的商业化提供了一条切实可行的途径。这将促进这些晶体管的广泛应用，这对于开发高效、节能、可在恶劣条件下运行的设备（包括电动汽车和航天器）至关重要，从而促进可持续发展的未来。”