近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所郭煒研究員在GaN HEMT器件研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)工作以Al2O3/in-situ GaON gate dielectrics incorporated GaN MIS-HEMTs with stable VTH and significantly reduced interface state density（具有高閾值電壓穩(wěn)定性和低界面態(tài)密度的Al2O3/原位GaON柵介質(zhì)高電子遷移率晶體管研究）為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Applied Physics Letters中。
研究背景
基于槽柵結(jié)構(gòu)的MIS-HEMT增強(qiáng)型高電子遷移率晶體管具有閾值電壓大、柵極驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，是下一代高頻功率開(kāi)關(guān)器件的重點(diǎn)研究方向之一。但相比產(chǎn)業(yè)界常用的p-GaN柵HEMT，MIS-HEMT存在刻蝕界面缺陷多誘發(fā)閾值電壓（VTH）漂移與電流遲滯等問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)與槽柵刻蝕工藝兼容的低界面缺陷態(tài)MIS柵介質(zhì)是改善器件綜合性能的關(guān)鍵。
主要研究?jī)?nèi)容
中科院寧波材料所研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性提出采用低損傷數(shù)字刻蝕工藝，在槽柵刻蝕表面原位形成GaON鈍化層，并在其上再通過(guò)ALD技術(shù)沉積Al2O3介質(zhì)層，形成Al2O3/in situ GaON 疊層?xùn)沤橘|(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)凹槽柵缺陷的有效鈍化，降低了界面缺陷態(tài)密度（Dit），顯著增強(qiáng)了HEMT器件的溫度和電壓穩(wěn)定性。
在槽柵刻蝕后，AlGaN勢(shì)壘層存在一定的等離子體損傷缺陷。因此，原位 GaON的形成過(guò)程在消除表面缺陷、鈍化懸掛鍵方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。圖1展示了分別采用Al2O3/in situ GaON雙層?xùn)沤橘|(zhì)、單層Al2O3介質(zhì)和單層GaON介質(zhì)的MIS-HEMT器件在不同柵偏壓與不同溫度下的轉(zhuǎn)移特性。當(dāng)器件在最大柵壓4至12 V范圍內(nèi)進(jìn)行雙掃（dual-sweep）測(cè)試時(shí)，采用雙層介質(zhì)和單層GaON介質(zhì)的MIS-HEMT器件的VTH僅發(fā)生了60 mV的漂移，而采用單層Al?O?介質(zhì)的器件則表現(xiàn)出明顯的遲滯現(xiàn)象。在溫度升高時(shí)，HEMT器件更容易受到介電層與III-族氮化物界面處熱激活陷阱的影響。雙層Al?O?/in situ GaON器件的VTH漂移僅為約–0.28 V，遠(yuǎn)小于單層Al?O?器件的–0.88 V。C-V測(cè)試證明，基于疊層?xùn)沤橘|(zhì)的MIS-HEMT Dit 在4×1011-2×1012 cm-2 eV-1范圍，為領(lǐng)域內(nèi)報(bào)道的MIS-HEMT結(jié)構(gòu)的最好水平之一。綜上，結(jié)合原位GaON的低界面態(tài)密度特點(diǎn)和Al2O3柵介質(zhì)禁帶寬度大的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)器件開(kāi)關(guān)比和VTH穩(wěn)定性的協(xié)同提升。
圖1，采用Al?O?/in situ GaON 雙層介質(zhì)（a, d），單一Al?O?介質(zhì)（b, e），單一GaON介質(zhì)（c, f）的MIS-HEMT在不同柵偏壓和溫度下的轉(zhuǎn)移特性曲線
通過(guò)高分辨透射電鏡（HRTEM）與幾何相變分析（GPA），團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Al2O3/GaN界面存在明顯的晶格畸變，而相比之下原位GaON插層可有效緩解該失配，形成均勻的晶格過(guò)渡區(qū)。進(jìn)一步XPS分析也確認(rèn)，GaON層中Ga-O鍵成分明顯增強(qiáng)，說(shuō)明其作為“原生氧化層”在缺陷鈍化中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。該工作對(duì)于改善MIS-HEMT器件的穩(wěn)定性和可靠性、促進(jìn)MIS-HEMT商業(yè)化應(yīng)用提供了重要參考。
圖2 在Al?O?/GaN 和 Al?O?/in situ GaON/GaN界面處的高分辨透射電子顯微鏡及對(duì)應(yīng)的晶格常數(shù)分布圖：Al?O?/GaN界面（a, b），Al?O?/in situ GaON/GaN界面（c, d）
論文第一作者為中科院寧波材料所研究生羅天，通訊作者為中科院寧波材料所郭煒研究員和葉繼春研究員。工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、固態(tài)微波器件與電路國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及寧波市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的大力支持。
論文信息
Al2O3/in situ GaON gate dielectrics incorporated GaN MIS-HEMTs with stable VTH and significantly reduced interface state density
Tian Luo, Sitong Chen, Ji Li, Fang Ye, Zhehan Yu, Wei Xu, Jichun Ye*, Wei Guo*
Appl. Phys. Lett. 126, 063503 (2025)
