氮化鎵（GaN）具有大的禁帶寬度、高擊穿場強和高電子飽和漂移速率等優良材料特性，而基于AlGaN/GaN異質結制備的器件更是滿足現代電力電子系統對高功率密度、高頻、高效性能的持續需求，在手機快充、新能源汽車、數據中心和智能電網等高頻高效高功率領域表現出巨大的應用前景。近日，中科院蘇州納米所加工平臺在GaN橫向功率器件研究中取得系列進展，研究成果分別發表在國際微電子器件權威期刊IEEE Transactions on Electron Devices和IEEE Electron Device Letters上。 

　　增強型p-GaN條形陣列柵GaN HEMT器件 

　　為了制備出高擊穿電壓&低導通電阻的增強型GaN HEMT器件，團隊在前期工作基礎上（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），使用具有自主知識產權的“氫等離子處理”技術并設計制備了一種p-GaN條形陣列的柵極結構（PSAG），利用該結構對AlGaN/GaN溝道處的二維電子氣（2DEG）濃度分布進行調控，制備了高性能免刻蝕增強型GaN HEMT器件。 

　　研究中的仿真結果顯示，通過調整p-GaN條形陣列的內部尺寸，一方面可以實現閾值電壓從？0.14 V到+1.03V的調控，另一方面可以實現表面電場的優化分布。制備獲得的PSAG-HEMT表現出比傳統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致的增強電導調制效應是導通電阻降低的主要原因。相關工作以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條形陣列柵混合陽極二極管結構示意圖及正向特性仿真結果；B, 關態下，表面電場分布仿真結果; C, 器件正向/反向電學特性；D, 增強電導調制效應 

　　高耐壓免刻蝕p-GaN柵混合陽極二極管 

　　混合陽極二極管（HAD）是另一種典型的GaN橫向器件結構，因制備工藝與HEMT器件兼容，在單片集成領域有著廣泛的應用前景。在p-GaN/AlGaN/GaN材料平臺上制備HAD器件已有一些報道，但在反向漏電流和電流崩塌等方面還存在挑戰。團隊使用低損傷免刻蝕的“氫等離子處理”技術制備出可以在300℃下穩定工作的HPT-HAD器件，器件的關態漏電流低至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的陰陽極間距下，實現了2.01 kV的高擊穿電壓，2.09 mΩ·cm²的低導通電阻，計算獲得的Baliga優值達到了1.93 GW/cm²。相關工作以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目研究員。 

　　　　　　圖2. A, HPT-HAD結構示意圖；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-導通電阻，以及關態漏電流-理想因子的性能比較 

　　低開啟電壓高功率品質因數p-GaN條形陣列柵混合陽極二極管 

　　雖然免刻蝕p-GaN柵混合陽極二極管表現出優異的特性，但是受到p-GaN對溝道電子的強耗盡作用，其開啟電壓較高，同時其存在GaN橫向器件不可避免的表面電場集中現象。結合p-GaN條形陣列柵對溝道電子和表面電場的調控作用，團隊進一步設計并制備出了p-GaN條形陣列柵混合陽極二極管（PSAG-HAD），實現了0.8 V的低開啟電壓，2.69 kV的高擊穿電壓和2.11mΩ·cm²的低導通電阻，計算獲得的器件Baliga優值達到了3.43 GW/cm²。通過改善后的“氫等離子處理”技術，器件在-1kV的高壓下也僅表現出1.87 nA/mm的關態漏電流，開關比達到了10¹¹。相關工作以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、納米加工平臺沈文超，通訊作者為張曉東項目研究員。 

　　圖3. A, p-GaN條形陣列柵混合陽極二極管結構示意圖；B, (a) 擊穿電壓-導通電阻的性能比較; (b) 閾值電壓-反向漏電流的性能比較；C, 器件正向/反向電學特性；D, 電場分布仿真結果 

　　上述相關工作得到了中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所納米加工平臺、納米真空互聯實驗站（Nano-X），以及納米器件部與中國科學院納米器件與應用重點實驗室的支持。 

　　論文鏈接： 

　　[1] 論文1 

　　[2] 論文2

　　[3] 論文3