面向下一代GaN功率技術(shù)的超薄勢壘AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)功率器件*

黃森，張寒，郭富強(qiáng)，王鑫華，蔣其夢，魏珂，劉新宇

（1.中國科學(xué)院微電子研究所高頻高壓器件與集成研發(fā)中心，北京 100029；2.中國科學(xué)院大學(xué)集成電路學(xué)院，北京 100049）

1 引言

相較于第一代半導(dǎo)體（Si、Ge）和第二代半導(dǎo)體（GaAs）材料而言，以氮化鎵（GaN）為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體，因其較寬的禁帶寬度和優(yōu)異的光電物理特性，已成為當(dāng)前半導(dǎo)體和微電子科技領(lǐng)域的主要研究方向之一[1]。AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于具有很強(qiáng)的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，能在異質(zhì)界面處誘導(dǎo)高遷移率和高密度的二維電子氣（2DEG），已成為目前制造GaN基橫向功率晶體管（如異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，即HFET）使用最廣、材料綜合性能最好的異質(zhì)結(jié)構(gòu)[1]。相比于傳統(tǒng)的Si基功率器件，GaN基功率電子器件具有更低的導(dǎo)通電阻和更高的開關(guān)頻率。憑借與Si基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝良好的兼容性，大尺寸Si基GaN成為射頻器件、功率器件、驅(qū)動(dòng)和控制電路單片集成的良好平臺(tái)，可以滿足未來功率電子智能化、小型化的應(yīng)用需求。

從應(yīng)用的角度來看，增強(qiáng)型（常關(guān)型）功率晶體管是保障功率電子系統(tǒng)安全的核心。目前業(yè)界主要采用p-(Al)GaN柵增強(qiáng)型技術(shù)制備GaN基增強(qiáng)型功率電子器件[2]，該技術(shù)通過在未摻雜的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)上形成p-(Al)GaN柵極，利用柵下pn結(jié)的空間耗盡區(qū)來耗盡2DEG，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型[3]。但是，基于p-(Al)GaN柵技術(shù)制備的增強(qiáng)型功率晶體管面臨一些影響其穩(wěn)定性和可靠性的挑戰(zhàn)，主要包括3個(gè)方面。（1）柵極可靠性差，當(dāng)柵極施加正電壓時(shí)，由于p-(Al)GaN層正電荷積累或耗盡的時(shí)延，以及AlGaN中電子的俘獲效應(yīng)，p-(Al)GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）在柵極正向偏壓應(yīng)力和關(guān)態(tài)應(yīng)力下閾值電壓不穩(wěn)定[4]；……