P型栅增强型GaN HEMT器件研究

摘要

得益于GaN材料优越的电学特性，GaN基元器件能够实现传统Si基器件难以企及的高击穿电场、高输出功率密度和低开关功率损失，其应用领域正在逐渐拓展。由于势垒层与沟道间极化引起的高浓度二维电子气（2DEG），GaN基HEMT都是天然常开型的，而在很多应用中为了满足安全-失效准则，都需要器件在不加偏置时为出常关状态。因此，增强型GaN基HEMT器件一直是氮化物器件研究中的热点，并且直到现在也不能获得令人满意的方案。已报道的几种主流实现增强型应用的方法中，以p-GaN作为栅帽层提高器件阈值电压的方法表现出最好的可靠性，然而阈值电压（VTH）不够高（通常为+1V左右）一直是p-GaN栅增强型HEMT器件所面临的最重要的问题之一。本文制备并详细研究了p-GaN栅增强型HEMT的电学特性，并通过工艺和器件结构的设计，希望在保证器件较低导通电阻和较高击穿电压的同时，实现更高阈值电压，取得的研究成果如下： （1）基于100nm p-GaN帽层的AlGaN/GaN异质结构，成功开发出p-GaN栅增强型HEMT器件的制备工艺，实现阈值电压1.5V，电流开关比大于109，饱和输出电流126mA/mm较好的器件性能。在此基础上，设计出一种带有p-GaN栅源桥的器件结构，测试结果显示带有一根、两根和三根桥的器件分别实现了3.1V，3.6V和4V的阈值电压。 （2）研究了栅后退火对p-GaN栅增强型HEMT性能的影响，采用退火工艺后器件饱和电流从126mA/mm增加到169mA/mm，获得了近34%的提升。这是由于栅后退火工艺不仅能修复部分刻蚀损伤和缺陷，还能降低栅金属与p-GaN接触形成的肖特基接触势垒高度，从而提高器件的饱和输出电流。此外，在此基础上增加了p-GaN栅源桥的器件阈值电压达到了2.5V。 （3）研究了栅金属种类对p-GaN栅增强型HEMT性能的影响电学特性的影响，通过采用功函数更低的W金属代替传统的Ni/Au金属提高肖特基势垒高度，将器件的阈值电压从1.5V提高到2.2V，并且进一步降低了器件的关态漏电流，此外带有栅源桥的W金属栅器件实现了高达6V的阈值电压。 （4）为了进一步提高器件的阈值电压和击穿电压，在Si衬底上设计并生长了具有100nm p-GaN帽层的Al0.15Ga0.85N/Al0.05Ga0.95N异质结构，并成功制备出了AlGaN沟道的p-GaN栅增强型HEMT。器件实现了高达4V的阈值电压、大于109的电流开关比，以及102mA/mm的饱和输出电流，而且增加了栅源桥结构之后，获得了高达7V的阈值电压。此外，在相同的栅漏间距下，AlGaN沟道器件击穿电压比GaN沟道器件的击穿电压高15-30%，并且在不采用任何其他提高击穿电压措施（如场板）的情况下，器件能够获得了高达1315V的击穿电压。对器件的脉冲测试结果显示，带有p-GaN栅的结构能够明显降低电流崩塌的影响。

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