摘要：山东大学报道了一种通过在栅极金属沉积之前将P-GaN的热氧化处理与原子层沉积（OTALD）相结合的增强型P-GaN/AlGaN/GaN金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管（MIS-HEMTs）。与传统器件相比，该器件的阈值电压从1.8V显著提高到7.1V，栅
山东大学报道了一种通过在栅极金属沉积之前将P-GaN的热氧化处理与原子层沉积（OTALD）相结合的增强型P-GaN/AlGaN/GaN金属-绝缘体-半导体高电子迁移率晶体管（MIS-HEMTs）。与传统器件相比，该器件的阈值电压从1.8V显著提高到7.1V，栅极击穿电压和断态击穿电压分别提高到26.9V和1980V。研究成果以 “High Breakdown Voltage P-GaN Gate HEMTs With Threshold Voltage of 7.1 V ” 发表在IEEE上[Siheng Chen et al，IEEE Electron Device Letters, vol. 45, no. 12, pp2343–2346, December 2024, doi: 10.1109/LED.2024.3478819]。
当用作功率器件时，P-GaN/AlGaN/GaN HEMTs要求高阈值电压、高栅极电压摆幅、高击穿电压和低栅极漏电流。由于P-GaN中镁（Mg）掺杂的激活率较低，通常会导致阈值电压低于2V，而无需额外处理，从而限制了P-GaN/AlGaN/GaN HEMTs在高栅极电压驱动电路中的应用。因此，提高阈值电压是一个紧迫的挑战。针对这一问题，研究人员将P-GaN的氧退火处理（OT）与原子层沉积（ALD）技术相结合，实现了具有高栅极击穿电压和高断态击穿电压的最高阈值电压记录。这项研究证明了OTALD技术在需要高栅极驱动电压的电力电子器件中的巨大潜力，从而扩大了在P-GaN功率器件中广泛应用的可能性。
图1:AFM测量的P-GaN表面轮廓 (a)和(b) OT工艺前后。(c) ALD-HEMTs和(d) OTALD-HEMTs的MIS接触的横截面TEM图像。
本研究中基于Si (111) 衬底的外延结构由通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的 100nm P-GaN盖层，Mg掺杂浓度为3x1019 cm-3，12.5nm的Al0.18Ga0.82N势垒层，0.5nm的AlN间隔层，450nm的未掺杂GaN沟道层以及4μm的高阻GaN缓冲层组成。器件制造首先从高选择性地蚀刻P-GaN盖层开始，随后通过感应耦合等离子体（ICP）蚀刻完成器件的台面隔离。欧姆接触是通过磁控溅射和在N2气氛中退火形成的Ti/Al/Ni/Au金属堆栈。在采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）沉积了SiO2钝化层后，通过ICP蚀刻对栅极区域的开口进行图案化。通过OTALD技术在P-GaN栅极区域开口上制造MIS结构的制造始于热氧化处理，。这是在氧气氛围中通过低温退火过程形成薄氧化层。随后通过等离子增强原子层沉积（PEALD）工艺沉积5nm的Al2O3介电层。最后，通过磁控溅射沉积Ni/Au栅极金属堆栈，形成栅极金属场板。作为参考，制备了未处理的P-GaN HEMTs。所有器件尺寸相同，其中P-GaN栅长（LG）为4μm，栅-漏间距（LGD）为12μm，栅-源间距（LGS）为4μm，栅宽（WG）为100μm。栅极场板的长度为2µm。
原子力显微镜（AFM）测量显示，经过氧退火处理后表面粗糙度降低，这表明该过程在P-GaN表面产生了平整的氧化层，并有效去除了其他污染物。横截面的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像显示，形成了致密且光滑的氧化层。这层氧化层的存在为Al2O3与P-GaN之间提供了逐渐变化的过渡，显著提高了这两种材料之间的界面质量。
图2：(a) OTALD-HEMTs的横截面示意图。(b) 四类P-GaN HEMT的转移特性和(c) 跨导特性。(d) 四类P-GaN HEMT的栅极击穿特性和(e)断态击穿特性。
图3：本研究与其它研究在(a) 栅极击穿和(b) 断态击穿方面，不同阈值电压下的表现比较
由于氧化层较高的栅肖特基势垒和介电层的电压分压效应，与常规P-GaN HEMTs相比，OTALD-HEMTs的阈值电压显著提高，从1.8V增加到7.1V，同时具有63.8mV的最小迟滞和超过108的高开/关电流比。氧化层的平滑界面可以减少二维电子气（2DEG）在通道内的散射，有助于获得更高的跨导（75.9mS/mm，增加了63%），以及在VGS = 11V时更高的饱和输出电流密度。致密氧化层具有比P-GaN更宽的带隙和更高的热力学稳定性，对由热电子轰击引起的降解和栅漏电流的抑制更为耐受。此外，栅极下方的介电层可以减小表面态并填充P-GaN表面的缺陷，降低漏电流并抑制热载流子效应。因此，OTALD-HEMT的正向栅极击穿和断态击穿电压分别提高到26.9V和1980V，与传统P-GaN HEMT相比，分别提高了42%和51%。OTALD-HEMTs展示了高栅极击穿电压、断态击穿电压以及以往报道的P-GaN栅极器件中最高的阈值电压，这表明OTALD技术在提高VTH和进一步改善器件性能方面具有巨大的潜力。
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周子吉编译整理
来源：宽禁带联盟
