深度解析N极性GaN HEMT的工作原理与优势
在c方向上，根据表面终止，III族氮化物具有III族元素（Al，In，Ga）极性（0001）或N极性（0001‾）（见图1）。如今，商业上可买到的基于GaN的器件，包括发光二极管（LED）、激光二极管（LD）和高电子迁移率晶体管（HEMT），主要是在Ga极性GaN上制造的，这是因为在该平面上更容易外延生长和制造工艺。可供GaN HEMT外延片，具体参数信息请见：http://www.aixue13.com/gan-hemtgaodianziqianyishuaijingtiguanwaiyanpian/
图1 Ga、N极性GaN材料晶格示意图
1. 基于N极性制备的GaN HEMT器件研究
Rajan等人证明了第一个N极性GaN HEMT。如图2（a）所示，通过PAMBE在C面SiC衬底上生长外延层，该外延层由300nm UID GaN缓冲层、20nm n+Al0.3Ga0.7N掺杂背势垒、10nm UID Al0.3Ga0.7N背势垒和30nm GaN沟道组成。霍尔测量的2DEG电荷和迁移率为1013cm-2和1400cm2/V。使用合金欧姆接触（Ti/Al/Ni/Au:20/100/30/50nm）作为欧姆接触。该器件表现出18GHz/44GHz的fT/fmax和12.6GHz-um的fT.Lg，与当时典型的Ga极性HEMT器件相当。然而，这些器件显示出显著的直流射频色散（图2（c））。
图2（a） N极性GaN HEMT的表观结构和相应的（b）能带图和（c）DC和脉冲IV测量；（d）分级AlGaN的上部结构和相应的（b）能带图以及（c）DC和脉冲IV测量
DLTS测量揭示了在GaN/AlGaN负极化界面（NPI）价带的60meV处存在空穴陷阱，这最近被归因于正电子湮没光谱证实的氮空位。在DLTS测量的价带以上71meV的GaN/InGaN 负极化界面中也观察到类似的空穴陷阱。势垒中的极化场拉起价带，导致通道/势垒界面处的价带达到非常接近费米能级，从而导致空穴陷阱电离。掺杂的20 nm Al0.3Ga0.7N背势垒被10 nm n+GaN和40 nm渐变AlGaN（5-30%）取代（图3（d））。高施主掺杂与分级背势垒一起将价带向下推（图2（e）），导致空穴陷阱的中和。在脉冲IV测量中观察到DC-RF色散显著降低（图2（f））。N极性HEMT结构中由于背势垒背面的空穴陷阱引起的DC-RF色散不仅限于具有AlGaN势垒的结构。这是N极HEMT中的一个常见问题，但已经通过掺杂和分级势垒来解决。
由于对GaN的肖特基势垒低于对AlGaN的势垒，因此早期N极性GaN HEMT遭受的栅极泄漏比在Ga极性HEMT上经常观察到的栅极泄漏大得多。在这些N极HEMT中还引入了25nm厚的10%AlGaN盖层，以增加肖特基势垒并减少栅极泄漏。在N极HEMT结构中引入AlGaN盖层不仅通过增加肖特基势垒高度，而且通过减少大反向栅极偏压下的隧穿电流来减少栅极泄漏。后者是N极性HEMT结构中的一个独特特征，因为与Ga极性HEMT相比，这些结构中的极化场相反（图3）。引入AlGaN盖层导致显著较低的栅极漏电流，击穿电压增加了三倍以上。
图3 在（a）平衡和（b）施加反向栅极-漏极电压的情况下的Ga极性HEMT带图的示意图；（c） 和（d）分别给出了在平衡和反向栅极-漏极电压偏置下具有薄AlGaN顶势垒的N极HEMT的能带图
2. N极性GaN HEMT结构的优势
由于纤锌矿III氮化物材料中不存在反转对称性，N极性HEMT中的极化诱导电场与Ga极性HET中的极化感应电场相反（图4），从而提供了在Ga极HEMT结构中无法获得的关键特性。在N极性HEMT中，2D电子气（2DEG）形成在较大带隙势垒层上方而不是下方。与传统的Ga极性结构相比，N极性HEMT的这一独特特征为未来的高功率高频放大应用提供了以下缩放优势：
1）N极性HeMT中的势垒层提供了天然的背势垒，以增强2DEG的限制，从而提高了器件的输出电阻和夹断；
2）与Ga极性HEMT结构中的较大带隙势垒材料相反，欧姆接触形成在N极性HEMT结构中的较小带隙沟道材料上。因此，N极性设计能够实现较低的接触电阻率；
3）对于栅极和2DEG界面之间的相同物理分离，N极HEMT中的2DEG的质心更靠近栅极，从而允许更好的栅极控制。UCSB的最新结果表明，与传统的Ga极性GaN HEMT相比，N极性GaN-HEMT可以在W波段提供更优越的性能。
图4 Ga极性和N极性AlGaN-GaN异质结构中的极化电荷和2DEG以及导带示意图
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