【產(chǎn)通社，2月25日訊】南方科技大學(xué)（Southern University of Science and Technology, SUSTech）官網(wǎng)消息，深港微電子學(xué)院教授于洪宇團(tuán)隊(duì)近日在GaN器件研究中取得系列重要進(jìn)展，研究成果相繼發(fā)表在在國(guó)際微電子器件權(quán)威期刊IEEE Electron Device Letters（EDL）、Applied Physics Letters（APL）及IEEE Transactions on Electron Devices（TED）期刊上。

隨著電力電子系統(tǒng)對(duì)器件更高功率密度、高效率、高頻工作能力的持續(xù)需求，以及未來電力電子應(yīng)用對(duì)小尺寸和低成本的需求，傳統(tǒng)的硅基電力電子器件已接近其物理極限。在這種背景下，第三代半導(dǎo)體材料進(jìn)入了公眾視野。氮化鎵（GaN）作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，具有大的禁帶寬度、高擊穿電場(chǎng)、高電子飽和漂移速率等優(yōu)良特性，已在手機(jī)快充領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，并在智能電網(wǎng)、新能源汽車、數(shù)據(jù)中心、5G通訊和雷達(dá)等高頻高功率領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是下一代信息存儲(chǔ)及智能制造技術(shù)的核心。我國(guó)“十四五計(jì)劃”也提出以發(fā)展GaN器件為構(gòu)建未來能源系統(tǒng)的目標(biāo)，標(biāo)志著 GaN材料與器件成為布局國(guó)家 “新基建”的關(guān)鍵核心之一。

面向大功率電源電路對(duì)常關(guān)型GaN器件的需求，于洪宇團(tuán)隊(duì)首次開發(fā)了兩種新型的選擇性區(qū)域生長(zhǎng)技術(shù)，結(jié)合高質(zhì)量原位SiNx鈍化及原子層沉積工藝，制備了系列高性能免刻蝕常關(guān)型GaN凹柵MIS-HEMT器件。通常，GaN凹柵HEMT器件需要通過刻蝕定義出柵極區(qū)域，易引入離子損傷及表面缺陷。再生長(zhǎng)技術(shù)可以有效改善刻蝕損傷問題，但整體流程為先柵工藝，難以制備高質(zhì)量鈍化材料。本研究首次在再生長(zhǎng)技術(shù)中引入MOCVD原位SiNx鈍化，并基于原位SiNx和再生長(zhǎng)勢(shì)壘層定義的凹柵結(jié)構(gòu)，制備出常關(guān)型GaN MIS-HEMT器件，利用再生長(zhǎng)及原位鈍化工藝的優(yōu)勢(shì)，在保持高閾值電壓（Vth > 2.5V）的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了世界最優(yōu)水平之一的導(dǎo)通電阻及閾值電壓遲滯。

該工作有效抑制了選區(qū)再生長(zhǎng)和原位SiNx工藝制備常關(guān)型GaN HEMT的技術(shù)缺陷，為開發(fā)低損傷常關(guān)型GaN功率器件提供了翔實(shí)的理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。相關(guān)工作以“Normally-OFF AlGaN/GaN MIS-HEMTs With Low RON and Vth Hysteresis by Functioning In-Situ SiNx in Regrowth Process”為標(biāo)題發(fā)表在IEEE EDL雜志上[1]。南科大深港微電子學(xué)院與香港理工大學(xué)聯(lián)培博士生何佳琦為論文第一作者，于洪宇為通訊作者，南科大為論文第一單位，該工作也得到了香港理工大學(xué)教授李剛的支持。


p-GaN柵常關(guān)型GaN HEMT器件


柵極擊穿電壓及其可靠性作為功率開關(guān)器件的關(guān)鍵性能指標(biāo)，在工業(yè)生產(chǎn)及實(shí)際應(yīng)用中具有重要研究?jī)r(jià)值。目前，高功率電源電路中的開關(guān)管采用p-GaN型柵常關(guān)型HEMT器件，但這種已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的器件結(jié)構(gòu)仍存在一定問題：器件的擊穿電壓通常較低；在較高的柵極驅(qū)動(dòng)電壓條件下，器件長(zhǎng)期工作可靠性不足，器件容易損壞。為解決上述問題，于洪宇團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控p-GaN在外延生長(zhǎng)過程中的參數(shù)，有效降低了柵金屬/p-GaN肖特基結(jié)的尖峰電場(chǎng)，在不影響其它性能如閾值電壓、導(dǎo)通電阻等直流特性的情況下，制備出在10.6 V柵極驅(qū)動(dòng)電壓下具有10年工作可靠性的常關(guān)型HEMT器件。

本研究所提出的u-GaN/p-GaN結(jié)構(gòu)能有效提高功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性，相關(guān)工作以“p-GaN Gate HEMTs With 10.6 V Maximum Gate Drive Voltages by Mg Doping Engineering”為標(biāo)題發(fā)表在IEEE TED雜志上[2]。南科大深港微電子學(xué)院與加拿大哥倫比亞大學(xué)聯(lián)培博士周廣楠為論文第一作者，于洪宇為通訊作者，該工作也得到了加拿大哥倫比亞大學(xué)教授夏光睿的支持。


InAlN/GaN 異質(zhì)結(jié)上無金歐姆接觸


基于InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的GaN器件憑借高的二維電子氣密度和較低的方塊電阻，成為實(shí)現(xiàn)下一代低開關(guān)損耗、高功率密度、高開關(guān)速度電力電子器件的理想材料。為實(shí)現(xiàn)高性能的InAlN/GaN器件，降低源漏歐姆接觸電阻是其關(guān)鍵工藝之一，于洪宇課題組提出了一種基于Si/Ti5Al1/TiN結(jié)構(gòu)的無金歐姆接觸方案。相比于傳統(tǒng)的有金歐姆接觸工藝，該方案可有效兼容現(xiàn)有的Si基COMS工藝線，降低工藝成本和實(shí)現(xiàn)大尺寸。經(jīng)優(yōu)化退火溫度，采用Si/Ti5Al1/TiN歐姆接觸在InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)上實(shí)現(xiàn)了0.11 Ω·mm的超低歐姆接觸電阻值，打破了InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)上合金歐姆接觸的世界紀(jì)錄，并可與采用再生長(zhǎng)歐姆接觸等更復(fù)雜的先進(jìn)工藝效果相媲美。此外，利用透射電鏡（TEM）等技術(shù)手段深入分析了其形成優(yōu)異歐姆接觸的微觀機(jī)理，提出了該歐姆接觸結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，該方案為InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)上歐姆接觸工藝的研發(fā)提供了新思路。

相關(guān)成果以"Microscopic formation mechanism of Si/Ti5Al1/TiN ohmic contact on non-recessed i-InAlN/GaN heterostructures with ultra-low resistance"為標(biāo)題已發(fā)表在權(quán)威期刊Applied Physics Letters （APL）上，南科大深港微電子學(xué)院訪問博士生蔣洋為論文第一作者，于洪宇和研究副教授汪青為共同通訊作者，南科大為論文第一單位，該工作也得到了香港大學(xué)助理教授王中銳的支持。


雙溝道異質(zhì)結(jié)上p型歐姆接觸


GaN p-FETs不良的導(dǎo)通能力和關(guān)斷能力嚴(yán)重限制了GaN CMOS邏輯或功率集成電路的最大工作頻率，開發(fā)高性能GaN p-FETs成為實(shí)現(xiàn)高性能GaN CMOS需要解決的首要問題。器件源、漏電極處金屬/半導(dǎo)體界面形成的歐姆接觸是器件與外部電路連接的基礎(chǔ)，其性能與器件輸出源、漏電流、膝點(diǎn)電壓、導(dǎo)通電阻、功率損耗及可靠性等性能密切相關(guān)，因此低阻歐姆接觸關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)也是提升GaN p-FETs的器件性能的關(guān)鍵。于洪宇團(tuán)隊(duì)在GaN CMOS外延上開發(fā)出新型Mg/Pt/Au結(jié)構(gòu)的p型歐姆接觸，打破了GaN p-FETs及CMOS上p型歐姆接觸制備困難的壁壘，比接觸電阻率低至1.810-5 Ω2，達(dá)到該外延上世界最低水平。

此外，實(shí)現(xiàn)了原位去除p-GaN表面氧化層的技術(shù)，在獲得超低電阻歐姆接觸的同時(shí)消除非原位表面處理技術(shù)對(duì)器件可靠性的影響。研究結(jié)果顯示Mg接觸層的引入促進(jìn)了Pt層形成Au擴(kuò)散通道，從而促使Au向內(nèi)擴(kuò)散與p-GaN接觸，同時(shí)界面處的Au誘導(dǎo)Ga向外擴(kuò)散形成Au-Ga相，并在p-GaN表面形成Ga空位提高空穴濃度，最終形成超低接觸電阻率的歐姆接觸。

相關(guān)成果以" Ohmic Contact with a Contact Resistivity of 12 Ω·mm on p-GaN/AlGaN/GaN "為標(biāo)題已發(fā)表在權(quán)威期刊IEEE EDL上，南科大深港微電子學(xué)院與哈工大聯(lián)培博士生唐楚瀅為論文第一作者，于洪宇和汪青為共同通訊作者，南科大為論文第一單位，該工作也得到了復(fù)旦大學(xué)教授蔣玉龍的支持。

以上工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目及深圳市自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的支持。查詢進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問官方網(wǎng)站http://www.nature.com/articles/s41928-023-00925-z，以及論文鏈接：
1 https://ieeexplore.ieee.org/document．9706449 
2 https://ieeexplore.ieee.org/document．9737317 
3 https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0117205 
4 https://ieeexplore.ieee.org/document．9834920。（張嘉汐，產(chǎn)通發(fā)布）    （完）