重大突破

苏州纳米所在GaN基功率器件界面控制研究中取得进展

  氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有高电流密度、高开关速度和低导通电阻等优点,受到人们的广泛关注,使得GaNHEMT器件成为下一代功率器件强有力的竞争者。然而,GaN器件与传统Si基器件不同,很难通过热氧化的方法获得低界面态密度的绝缘介质层。因此,如何降低界面态密度已经成为GaN基器件研究和应用的挑战之一。 

  中科院苏州纳米所纳米加工平台张宝顺研究员课题组一直致力于高压大功率GaN基电力电子器件的研究工作。目前,通过自主研发以及与香港科技大学陈敬教授课题组进行合作,利用LPCVD(低压化学气相沉积)沉积栅介质层和表面钝化层技术,已经实现了低漏电、高耐压的GaN HEMT功率器件,相关结果发表在IEEE Transactions on Electron Devices原文链接和著名国际会议IEDM原文链接)上。 

  为了进一步降低LPCVD-Si3N4GaN的界面态密度,提高器件的性能。张宝顺研究员课题组通过对传统LPCVD系统进行改造在国际上首次提出将原位等离子体处理与传统LPCVD沉积相结合来沉积介质层,实现在沉积Si3N4薄膜前的原位N2等离子体氮化处理(见图1)N2等离子体处理不仅可以补偿GaN表面的氮空位,还可以减少表面的自然氧化层,从而获得较低的LPCVD-Si3N4/(Al)GaN界面态密度,通过这种技术制作的MIS-HEMTs器件,在扫描栅压为VG-sweep =24 V时,阈值回滞由原来的7.1 V下降到186 mV,器件的阈值稳定性得到明显提高,如图2所示。由于界面态的降低抑制了陷态对沟道中电子的捕获,因而改善了器件的动态特性,在600 V关态应力下,器件的导通电阻仅仅上升1.18倍(传统器件为200倍左右),如图3所示。器件综合性能处于国际前列,相关结果发表在最新的IEEE Electron Device Letters, 2017,38,236. 

    1(a) 原位氮等离子处理AlGaN/GaN MIS-HEMTs 结构剖面图 (b) 改造后的LPCVD(低压气相沉积)系统示意图 

   2a)经过和未经过原位N2等离子体处理的MIS-HEMT器件在不同正向扫描栅压下的阈值回滞;(b)器件正向扫描栅压和阈值回滞与已报到文献结果的比较 

   3 a)未经过原位等离子体处理MIS-HEMT器件的动态特性;(b)经过原位等离子体处理MIS-HEMT器件的动态特性 

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