近期，寬禁帶半導體國家工程研究中心郝躍院士、馬曉華教授團隊在氮化鎵（GaN）高電子遷移率晶體管（HEMT）領域取得重要突破，成功開發出一種基于低溫磁控濺射氮化鋁（AlN）覆蓋層的新型p-GaN HEMT器件。該成果以“Improved p-GaN/AlGaN/GaN HEMTs with magnetron-sputtered AlN cap layer”為題發表于國際權威期刊《Applied Surface Science》（中科院二區TOP期刊，影響因子6.3），第一作者為博士后賈茂，通訊作者為侯斌副教授、楊凌教授與馬曉華教授。研究通過創新性的AlN界面工程設計，顯著提升了器件的柵極可靠性、動態性能與長期穩定性，為GaN功率器件的商業化應用提供了關鍵技術支撐。

(a)柵極反向電流，(b)柵極正向漏電流隨不同柵極面積的變化，

(c) AlN/p-GaN HEMT在不同溫度下的柵漏特性。(d)濺射AlN/p-GaN二極管的PF圖（log (J)/E_AlN vs. 1000E_0.5/T）。插圖：從線性提取的PF斜率和截距PF圖擬合。

(a)p-GaN層的XPS價帶和n1s核能級譜；(b)AlN層的XPS價帶和n1s核能級譜，(c)能帶

零柵偏置時AlN/p-GaN hemt的門控區圖和(d)AlN/p-GaN/AlGaN/GaN二極管的電容電壓特性。

(a)脈沖轉移特性測試原理圖，(b)脈沖轉移具有不同靜態偏置的AlN/p-GaN HEMT的特性，(c)脈沖輸出特性測試原理圖和(d)具有不同靜態偏置的AlN/p-GaN HEMT脈沖輸出特性特性。

研究團隊采用低溫磁控濺射工藝在p-GaN柵極表面沉積AlN覆蓋層，通過X射線光電子能譜（XPS）測試證實，AlN與p-GaN界面處形成的1.2 eV價帶偏移能有效抑制柵極漏電流，改善界面質量。與傳統鎢肖特基柵極p-GaN HEMT（W/p-GaN HEMT）相比，新型AlN/p-GaN HEMT展現出以下關鍵性能提升：閾值電壓優化，閾值電壓（V_th）從0.61 V提升至0.82 V，器件開啟特性更穩定；柵極可靠性突破，柵極正向擊穿電壓提升至17 V，工作電壓范圍從7 V擴展至12 V，柵極漏電流降低3個數量級（I_D/I_G從10⁴優化至10⁷）；界面電容-電壓（C-V）遲滯效應顯著減小，表明界面缺陷密度降低；導通電阻（R_on）較傳統器件降低15.3%，有效減少了導通狀態的能量損耗。

(a)t_BD分布的威布爾圖和(b)25℃下W/p GaN HEMTs的壽命預測。(c)t_BD分布的威布爾圖和(d)25℃時AlN/p-GaN HEMTs的壽命預預測。

研究團隊進一步揭示了AlN/p-GaN HEMT的柵極泄漏機制，在中壓范圍內，泄漏電流主要由Poole-Frenkel（PF）發射主導。基于此模型推算，器件在室溫下的十年壽命最大正向柵壓（V_G）可達6.8 V（失效概率63.2%），較傳統W/p-GaN HEMT（5.4 V）提升26%。此外，AlN覆蓋層通過調控金屬/p-GaN肖特基接觸的耗盡區，維持了GaN溝道的高效耗盡狀態，使關態擊穿電壓進一步提升。

磁控濺射AlN工藝具有低溫生長、成本低廉、工藝兼容性高等優勢，可無縫對接現有GaN器件產線。研究團隊指出，該技術有望加速p-GaN HEMT在高壓快充、新能源汽車電驅系統、數據中心電源等高頻高功率場景的規模化應用。本次研究由國家重點研發計劃、國家自然科學基金等支持，相關技術已申請多項發明專利。

論文信息

Improved p-GaN/AlGaN/GaN HEMTs with magnetron-sputtered AlN cap layer

Jia, Mao; Hou, Bin; Yang, Ling; Xue, Zhiqiang; Xiao, Qian; Zhang, Meng; Lu, Hao; Wu, Mei; Hong, Xitong; Du, Jiale; Chang, Qingyuan; Wang, Xiao; Li, Yang; Ao, Jinping; Ma, Xiaohua; Hao, Yue

Applied Surface Science

DOI:10.1016/j.jmat.2024.100981

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433224024152?sessionid=1477088138

（來源：國家工程研究中心）