近期，宽禁带半导体国家工程研究中心郝跃院士、马晓华教授团队在氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）领域取得重要突破，成功开发出一种基于低温磁控溅射氮化铝（AlN）覆盖层的新型p-GaN HEMT器件。该成果以“Improved p-GaN/AlGaN/GaN HEMTs with magnetron-sputtered AlN cap layer”为题发表于国际权威期刊《Applied Surface Science》（中科院二区TOP期刊，影响因子6.3），第一作者为博士后贾茂，通讯作者为侯斌副教授、杨凌教授与马晓华教授。研究通过创新性的AlN界面工程设计，显著提升了器件的栅极可靠性、动态性能与长期稳定性，为GaN功率器件的商业化应用提供了关键技术支撑。
(a)栅极反向电流，(b)栅极正向漏电流随不同栅极面积的变化，
(c) AlN/p-GaN HEMT在不同温度下的栅漏特性。(d)溅射AlN/p-GaN二极管的PF图（log (J)/EAlN vs. 1000E0.5/T）。插图：从线性提取的PF斜率和截距PF图拟合。
(a)p-GaN层的XPS价带和n1s核能级谱；(b)AlN层的XPS价带和n1s核能级谱，(c)能带
零栅偏置时AlN/p-GaN hemt的门控区图和(d)AlN/p-GaN/AlGaN/GaN二极管的电容电压特性。
(a)脉冲转移特性测试原理图，(b)脉冲转移具有不同静态偏置的AlN/p-GaN HEMT的特性，(c)脉冲输出特性测试原理图和(d)具有不同静态偏置的AlN/p-GaN HEMT脉冲输出特性特性。
研究团队采用低温磁控溅射工艺在p-GaN栅极表面沉积AlN覆盖层，通过X射线光电子能谱（XPS）测试证实，AlN与p-GaN界面处形成的1.2 eV价带偏移能有效抑制栅极漏电流，改善界面质量。与传统钨肖特基栅极p-GaN HEMT（W/p-GaN HEMT）相比，新型AlN/p-GaN HEMT展现出以下关键性能提升：阈值电压优化，阈值电压（Vth）从0.61 V提升至0.82 V，器件开启特性更稳定；栅极可靠性突破，栅极正向击穿电压提升至17 V，工作电压范围从7 V扩展至12 V，栅极漏电流降低3个数量级（ID/IG从104优化至107）；界面电容-电压（C-V）迟滞效应显著减小，表明界面缺陷密度降低；导通电阻（Ron）较传统器件降低15.3%，有效减少了导通状态的能量损耗。
(a)tBD分布的威布尔图和(b)25℃下W/p GaN HEMTs的寿命预测。(c)tBD分布的威布尔图和(d)25℃时AlN/p-GaN HEMTs的寿命预预测。
研究团队进一步揭示了AlN/p-GaN HEMT的栅极泄漏机制，在中压范围内，泄漏电流主要由Poole-Frenkel（PF）发射主导。基于此模型推算，器件在室温下的十年寿命最大正向栅压（VG）可达6.8 V（失效概率63.2%），较传统W/p-GaN HEMT（5.4 V）提升26%。此外，AlN覆盖层通过调控金属/p-GaN肖特基接触的耗尽区，维持了GaN沟道的高效耗尽状态，使关态击穿电压进一步提升。
磁控溅射AlN工艺具有低温生长、成本低廉、工艺兼容性高等优势，可无缝对接现有GaN器件产线。研究团队指出，该技术有望加速p-GaN HEMT在高压快充、新能源汽车电驱系统、数据中心电源等高频高功率场景的规模化应用。本次研究由国家重点研发计划、国家自然科学基金等支持，相关技术已申请多项发明专利。
论文信息
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
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433224024152?sessionid=1477088138
（来源：国家工程研究中心）