蘇州納米所加工平臺(tái)在氮化鎵橫向功率器件研制方面取得系列進(jìn)展
氮化鎵（GaN）具有大的禁帶寬度、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)和高電子飽和漂移速率等優(yōu)良材料特性，而基于AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)制備的器件更是滿足現(xiàn)代電力電子系統(tǒng)對(duì)高功率密度、高頻、高效性能的持續(xù)需求，在手機(jī)快充、新能源汽車、數(shù)據(jù)中心和智能電網(wǎng)等高頻高效高功率領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。近日，中科院蘇州納米所加工平臺(tái)在GaN橫向功率器件研究中取得系列進(jìn)展，研究成果分別發(fā)表在國(guó)際微電子器件權(quán)威期刊IEEE Transactions on Electron Devices和IEEE Electron Device Letters上。
增強(qiáng)型p-GaN條形陣列柵GaN HEMT器件
為了制備出高擊穿電壓&低導(dǎo)通電阻的增強(qiáng)型GaN HEMT器件，團(tuán)隊(duì)在前期工作基礎(chǔ)上（IEEE Electron Device Lett., 2022, 43(5): 693-696; IEEE Sens. J., 2021, 21(20): 22459-22463; IEEE Trans. Electron Devices, 2021, 68(10): 5041-5047; Appl. Phys. Lett., 2018, 113(15): 152104; IEEE Trans. Electron Devices, 2018, 65(4): 1314-1320; IEEE Electron Device Lett., 2017, 38(11): 1567-1570; Appl. Phys. Lett., 2016, 109(15): 152106），使用具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“氫等離子處理”技術(shù)并設(shè)計(jì)制備了一種p-GaN條形陣列的柵極結(jié)構(gòu)（PSAG），利用該結(jié)構(gòu)對(duì)AlGaN/GaN溝道處的二維電子氣（2DEG）濃度分布進(jìn)行調(diào)控，制備了高性能免刻蝕增強(qiáng)型GaN HEMT器件。
研究中的仿真結(jié)果顯示，通過(guò)調(diào)整p-GaN條形陣列的內(nèi)部尺寸，一方面可以實(shí)現(xiàn)閾值電壓從？0.14 V到+1.03V的調(diào)控，另一方面可以實(shí)現(xiàn)表面電場(chǎng)的優(yōu)化分布。制備獲得的PSAG-HEMT表現(xiàn)出比傳統(tǒng)p-GaN柵器件（+1.36 V/3.72 mΩ·cm2/1.18 kV）略低的+0.8 V的閾值電壓，更低的導(dǎo)通電阻2.73 mΩ·cm2和更高的擊穿電壓1.45 kV。研究揭示了PSAG-HEMT柵極下方特殊能帶分布導(dǎo)致的增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)是導(dǎo)通電阻降低的主要原因。相關(guān)工作以Improvement of Breakdown Voltage and on-Resistance in Normally-off AlGaN/GaN HEMTs Using Etching-Free p-GaN Stripe Array Gate為題發(fā)表在IEEE Trans. Electron Devices [1]，論文的第一作者是中科院蘇州納米所博士生魏星，通訊作者為張寶順研究員、蔡勇研究員。
圖1. A, p-GaN條形陣列柵混合陽(yáng)極二極管結(jié)構(gòu)示意圖及正向特性仿真結(jié)果；B, 關(guān)態(tài)下，表面電場(chǎng)分布仿真結(jié)果; C, 器件正向/反向電學(xué)特性；D, 增強(qiáng)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)
高耐壓免刻蝕p-GaN柵混合陽(yáng)極二極管
混合陽(yáng)極二極管（HAD）是另一種典型的GaN橫向器件結(jié)構(gòu)，因制備工藝與HEMT器件兼容，在單片集成領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在p-GaN/AlGaN/GaN材料平臺(tái)上制備HAD器件已有一些報(bào)道，但在反向漏電流和電流崩塌等方面還存在挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)使用低損傷免刻蝕的“氫等離子處理”技術(shù)制備出可以在300℃下穩(wěn)定工作的HPT-HAD器件，器件的關(guān)態(tài)漏電流低至10 pA/mm，理想因子低至1.04，電流崩塌特性改善明顯。器件在20 μm的陰陽(yáng)極間距下，實(shí)現(xiàn)了2.01 kV的高擊穿電壓，2.09 mΩ·cm2的低導(dǎo)通電阻，計(jì)算獲得的Baliga優(yōu)值達(dá)到了1.93 GW/cm2。相關(guān)工作以2.0 kV/2.1 mΩ·cm2 Lateral p-GaN/AlGaN/GaN Hybrid Anode Diodes With Hydrogen Plasma Treatment為題發(fā)表在IEEE Electron Device Lett. [2]，論文的第一作者是中科院蘇州納米所博士生魏星，通訊作者為張曉東項(xiàng)目研究員。
圖2. A, HPT-HAD結(jié)構(gòu)示意圖；B, HPT-HAD器件變溫I-V特性; C, 器件電流崩塌；D, 器件耐壓特性、擊穿電壓-導(dǎo)通電阻，以及關(guān)態(tài)漏電流-理想因子的性能比較
低開(kāi)啟電壓高功率品質(zhì)因數(shù)p-GaN條形陣列柵混合陽(yáng)極二極管
雖然免刻蝕p-GaN柵混合陽(yáng)極二極管表現(xiàn)出優(yōu)異的特性，但是受到p-GaN對(duì)溝道電子的強(qiáng)耗盡作用，其開(kāi)啟電壓較高，同時(shí)其存在GaN橫向器件不可避免的表面電場(chǎng)集中現(xiàn)象。結(jié)合p-GaN條形陣列柵對(duì)溝道電子和表面電場(chǎng)的調(diào)控作用，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步設(shè)計(jì)并制備出了p-GaN條形陣列柵混合陽(yáng)極二極管（PSAG-HAD），實(shí)現(xiàn)了0.8 V的低開(kāi)啟電壓，2.69 kV的高擊穿電壓和2.11mΩ·cm2的低導(dǎo)通電阻，計(jì)算獲得的器件Baliga優(yōu)值達(dá)到了3.43 GW/cm2。通過(guò)改善后的“氫等離子處理”技術(shù)，器件在-1kV的高壓下也僅表現(xiàn)出1.87 nA/mm的關(guān)態(tài)漏電流，開(kāi)關(guān)比達(dá)到了1011。相關(guān)工作以2.69 kV/2.11 mΩ·cm2 and Low Leakage p-GaN Stripe Array Gated Hybrid Anode Diodes with Low Turn-on Voltage為題發(fā)表在IEEE Electron Device Lett. [3]。論文共同第一作者是中科院蘇州納米所博士生魏星、納米加工平臺(tái)沈文超，通訊作者為張曉東項(xiàng)目研究員。
圖3. A, p-GaN條形陣列柵混合陽(yáng)極二極管結(jié)構(gòu)示意圖；B, (a) 擊穿電壓-導(dǎo)通電阻的性能比較; (b) 閾值電壓-反向漏電流的性能比較；C, 器件正向/反向電學(xué)特性；D, 電場(chǎng)分布仿真結(jié)果
上述相關(guān)工作得到了中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所納米加工平臺(tái)、納米真空互聯(lián)實(shí)驗(yàn)站（Nano-X），以及納米器件部與中國(guó)科學(xué)院納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
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[1] 論文1
[2] 論文2
[3] 論文3
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