1、第 43卷 第 1期2023年 2月Vol.43，No.1Feb.，2023固体电子学研究与进展RESEARCH&PROGRESS OF SSE1 400 V/240 m 增强型硅基 pGaN栅结构AlGaN/GaN HEMT器件潘传奇1，2 王登贵1，2 周建军1，2 胡壮壮1，2 郁鑫鑫1，2 李忠辉1，2 陈堂胜1，2（1 微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室，南京，210016）（2 南京电子器件研究所，南京，210016）20221025收稿，20221227收改稿摘要：基于硅基 p-GaN/AlGaN/GaN 异质结材料结构，研制了一款横向结构的高压增强型 GaN 高电子迁移率晶
2、体管（GaN HEMT）器件。通过采用自对准栅刻蚀与损伤修复技术以及低温无金欧姆合金工艺实现了较低的导通电阻，并借助于叠层介质钝化和多场板峰值抑制技术提升了器件的击穿特性。测试结果表明，所研制 GaN 器件的阈值电压为 1.95 V（VGS=VDS，IDS=0.01 mA/mm），导通电阻为 240 m（VGS=6 V，VDS=0.5 V），击穿电压高于1 400 V（VGS=0 V，IDS=1 A/mm），彰显了硅基 p-GaN 栅结构 AlGaN/GaN HEMT 器件在 1 200 V 等级高压应用领域的潜力。关键词：GaN HEMT；增强型；pGaN栅；击穿电压；导通电阻中图分类号：T
3、N386 文献标识码：A 文章编号：10003819(2023)010011051 400 V/240 m Enhancementmode pGaN Gate AlGaN/GaN HEMT on SiPAN Chuanqi1,2 WANG Denggui1,2 ZHOU Jianjun1,2 HU Zhuangzhuang1,2YU Xinxin1,2 LI Zhonghui1,2 CHEN Tangsheng1,2（1 Science and Technology on Monolithic Integrated Circuits and Modules Laboratory，Nanjing
4、，210016，CHN）（2 Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing，210016，CHN）Abstract:In this paper，a planar high-voltage enhancement-mode GaN high electron mobility transistor（GaN HEMT）was presented based on p-GaN/AlGaN/GaN heterostructure on silicon.Lower on-resistance was achieved through self-aligned
5、gate etching and damage repair technique，together with low-temperature gold-free Ohmic contact procedure.Moreover，the breakdown voltage was improved by using the dual dielectric passivation and the multi-field plate peak suppression techniques.The test results show that the threshold voltage is 1.95
6、V（VGS=VDS，IDS=0.01 mA/mm），the on-resistance is 240 m（VGS=6 V，VDS=0.5 V），and the breakdown voltage is greater than 1 400 V（VGS=0 V，IDS=1 A/mm），which illustrates the great potential of p-GaN gate AlGaN/GaN HEMTs on Si for beyond 1 200 V class applications.Key words：GaN HEMT；enhancementmode；pGaN gate；b
7、reakdown voltage；onresistance宽禁带半导体 基金项目：国家自然科学基金青年科学基金资助项目（62104218）；微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室基金资助项目（614280301022104）联系作者：E-mail：DOI:10.19623/ki.rpsse.2023.01.004固 体 电 子 学 研 究 与 进 展 http:GTDZ43卷引言当前，Si器件已经发展到其理论极限。受限于Si材料本身的性能参数，通过继续优化器件结构和改善制备工艺以提升 Si器件性能的方式，已远不能满足现代电力电子技术对电力系统更高频率、更低损耗、更大功率容量等方面的迫切需求。近
8、年来，第三代半导体 GaN 材料得益于其宽带隙、高击穿场强、高饱和电子漂移速度、抗辐照等优异的物理特性，在无线基站、卫星通信等领域展现出广泛的应用前景，得到快速发展1。特别是，AlGaN/GaN 异质 结 中 存 在 的 高 浓 度、高 迁 移 率 的 二 维 电 子 气（2DEG），使得 AlGaN/GaN HEMTs 器件具有击穿电压高、通态电阻低、开关速度快、体积尺寸小等优势，成为新一代高频、大功率电力电子应用技术的理想选择。常规 AlGaN/GaN HEMTs为耗尽型（Dmode）器件，多应用于功率放大器等射频电子领域。在功率电子领域，需要器件具备增强型（Emode）特性，以提高电源系
9、统的安全性同时降低电源电路设计的复杂性和成本2。目前，凹槽栅刻蚀3、F 离子注入4、MOS/MIS 栅结构5、pGaN 栅帽调制67技术是已经报道的实现增强型 AlGaN/GaN HEMTs 器件研制的主要手段。其中，pGaN 栅帽调制技术是唯一一种已实现大规模量产的技术方案，具备工艺简单、兼容性好、可拓展性强等优势。然而，由于外延层晶体质量以及 pGaN 刻蚀损伤等问题，现有商用 pGaN 栅结构 GaN 功率开关器件工作电压主要集中在 650 V 以内8，较低的击穿电压严重制约了其在新能源汽车、光伏等高压领域的发展。为了提高器件击穿电压，在器件结构设计方面可以采用垂直或准垂直结构，文献中已
10、报道的垂直结构 GaN 功率开关器件的击穿电压可达 1 200 V9，甚至更高10。但是，垂直材料架构却难以同时实现电容、电阻、二极管、增强型/耗尽型 GaN 器件的单片制备，不利于集成栅极驱动功能 GaN 单芯片技术的发展。与之相比，基于 pGaN/AlGaN/GaN 异质结材料的横向架构更易于实现单片集成，可进一步推进电源系统智能化、轻量化、小型化发展。此外，pGaN 栅结构 AlGaN/GaN 器件本身仍存在较多问题，譬如器件栅极漏电与可靠性问题较为明显、栅极工作电压摆幅小等等11。因此，如何提升器件的击穿电压以及改善栅极工作稳定性对高性能、高耐压 pGaN 栅结构 AlGaN/GaN
11、HEMTs 器件的发展显得异常重要。场板技术是文献中常见的用于提升器件击穿电压的技术途径之一12，在 Si和 SiC 功率器件中均有出色表现。场板结构通过控制器件表面的电压改善器件内部特别是势垒层边缘的电场分布，从而提高器件的耐压特性；同时，场板结构也可以调制器件表面及界面处的缺陷分布，降低器件电场对界面缺陷敏感度，有效改善 GaN 器件的动态导通特性。表面钝化技术对于半导体器件来说至关重要，尤其对于 AlGaN/GaN HEMTs 器件。一方面，采用高质量的介质对器件进行表面钝化处理13，可以降低因表面缺陷产生的跃迁漏电，提高器件的击穿电压；另一方面，由于 AlGaN 势垒层非常薄，导致沟道
12、载流子的输运特性对表面的状态非常敏感，而高质量的 SiNx、Al2O3、HfO2等能有效钝化 GaN 器件的表面，降低由于表面态以及界面态导致的电流崩塌效应，提升器件的工作稳定性14。本文在硅基 pGaN/AlGaN/GaN 异质结材料上，通过采用自对准栅刻蚀与损伤修复工艺以及兼容 CMOS制程的低温无金欧姆工艺研制出 1 400 V/245 m 的增强型 GaN 器件。在器件结构设计方面引入了多层源场板结构，同时采用高质量的 Al2O3/SiON 叠层介质钝化工艺实现了器件击穿特性与栅极工作稳定性的提升，为 GaN 功率电子器件向更高电压、更大功率、更高效率的发展奠定了基础。1 实验过程 本
13、文所采用的硅基 pGaN/AlGaN/GaN 异质结材料主要包含 75 nm pGaN 帽层、25 nm AlGaN势垒层、300 nm GaN 本征层以及 4 m GaN 缓冲层组成，如图 1（a）所示。器件的栅电极采用低功函数的金属 W 以与 pGaN 帽层之间形成肖特基接触，并通过自对准栅刻蚀工艺形成图 1（b）中所示的 pGaN 栅结构。为进一步降低 pGaN 刻蚀过程对 AlGaN 势垒层的表面损伤，开发了 TMAH 水浴与 N plasma 处理相结合的损伤修复工艺。接着，采用基于 Ti/Al/Ti 无金体系的叠层金属，在氮气环境下550 退火 300 s 完成图 1（c）中源漏欧
14、姆电极的制备。最后，在沉积 Al2O3/SiON 双层钝化介质后采用B 离子注入实现器件隔离，并完成对器件的介质开孔与互连金属化 图 1（d）。121期潘传奇等：1 400 V/240 m增强型硅基 p-GaN栅结构 AlGaN/GaN HEMT 器件基于上述工艺，设计制造了一款横向结构的 pGaN 栅结构 AlGaN/GaN HEMT 器件，如图 2（a）所示。图 2（b）为器件的截面结构图，所研制的增强型GaN 器件栅长 LG为 1 m，栅源间距 LGS为 1.5 m，栅漏间距 LGD为 17 m，栅宽 WG为 85 mm。2 结果与讨论 采用 Keysight B1505A 半导体分析仪
15、对研制的GaN 器件的直流特性进行测试分析。图 3（a）为器件转移特性曲线，在通过连接器件栅极和漏极测试条件下（测试限流 100 mA），定义输出电流 IDS为0.01 mA/mm 时对应的栅极电压即为阈值电压，从图中可以读出当漏极电流 IDS=0.01 mA/mm 时，器件的阈值电压 VTH=1.95 V。同时，可以看出器件的转移特性曲线在 VGS正向和反向扫描测试时具有良好的重合度。图 3（b）中所示为器件采用脉冲测试模式的输出特性曲线，测试栅压范围为 06 V，步进电压为 1 V，脉冲周期为 50 ms，脉宽为 300 s。从测试结果可以看出，大栅宽 GaN 器件具有高于15 A 的电流
16、输出能力，在 VGS=6 V、VDS=0.5 V 时器件的导通电阻 Ron=240 m，结合芯片的有效面积计算出器件的比导通电阻接近为 5 mcm2。图 3（c）为 VGS=0 V 时测得的器件的击穿特性曲线，可以看出，器件在漏极电流 IDS=1 A/mm 时，击穿电压 BV=1 416 V。AlGaN/GaN HEMT 器件的可工作栅压范围越大，越有利于电源系统中前级驱动电路的简单化设计，从图 3（d）中的栅漏电测试曲线可以看出，研制的 pGaN 栅结构器件可以正常工作在-58 V 的栅压区间内，具有优异的栅压摆幅，更有利于后续在系统级模块中的应用验证。随 着 pGaN 栅 结 构 增 强 型 AlGaN/GaN HEMTs 功率器件的商业化发展，pGaN 栅结构的稳定性引起工业界和学术界的广泛关注。特别是GaN 作为宽禁带半导体材料，界面缺陷的能级分布较宽，相应导致缺陷发射载流子具有长的时间常数，给 GaN 功率器件可靠性研究带来诸多的挑战。为进一步验证该高耐压 GaN 器件在长时间工作下的栅控可靠性，对器件进行了 IGSVGS和 IDSVGS的双向重复测试，测试结果如图 4 所示