功率集成电路新思路|应用物理前沿推介系列No.6

Original 周弘中国物理学会 2023-03-11

收录于合集 #前沿推介 8个

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本期推介

基于极化诱导高密度二维空穴气的高性能GaN基p沟道场效应晶体管

相比于Si、Ge等半导体材料，第三代宽禁带半导体GaN在禁带宽度、临界击穿电场和饱和电子漂移速度上具有天然的物理优势，是研制高温、高效、高功率电子器件的优选材料。同时，III族氮化物独特的强极化特性使得GaN可以依靠异质结（AlGaN/GaN）极化掺杂的方式提升载流子浓度，而不必像Si基半导体材料采用传统杂质掺杂的方法，这种极化诱导的载流子对温度变化很不敏感[1]，因此基于AlGaN/GaN异质结构的功率电子器件对极端温度、辐照等特殊环境具有更强的适应能力。

然而，GaN基功率器件的逻辑控制和前级驱动仍然采用Si基数字电路与其封装集成，由于Si与GaN半导体材料工作频率和工作温度的较大失配，传统Si基驱动电路很难推动GaN基功率集成电路和模块向极端温度，超高频率乃至抗辐照等应用领域的拓展。为了充分发挥GaN基器件的高频优势，发展GaN基互补金属-氧化物-半导体（CMOS）技术以实现全GaN功率与驱动控制单元的单片集成是目前最具竞争力的方案之一，也是GaN基电子器件研究的前沿和热点。目前，GaN基p沟道场效应晶体管（p-channel Field-Effect-Transistors, p-FET）的电流密度远远低于基于AlGaN/GaN异质结构的n沟道高电子迁移率晶体管（n-channel High-Electron-Mobility Transistor, n-HEMT）是GaN基CMOS技术发展的主要难点。一方面，p-GaN中的空穴浓度受到Mg受主杂质的高激活能（~170 meV）制约，室温下难以1018 cm^-3；另一方面，缺乏合适的高功函数金属与p-GaN（禁带宽度：3.4 eV，电子亲和势：4.1 eV）形成欧姆接触，接触电阻普遍较大且存在明显的势垒。

为了克服p-GaN中Mg受主杂质激活难的问题，通常的方法是基于2DEG的产生机理和极化掺杂效应，利用GaN/AlGaN界面处诱导的高密度二维空穴气（2-D hole gas，2DHG）以提高空穴的浓度（~10¹² cm^-2）。美国HRL实验室的研究团队于2016年报道了首个GaN基CMOS器件，该工作通过选区外延的方式在AlGaN/GaN异质结构上外延了GaN/AlGaN异质结构，基于极化掺杂效应利用AlGaN/GaN及GaN/AlGaN界面处形成的2DEG及2DHG在实现了GaN基n沟道及p沟道的器件在同一外延片上的集成[2]。美国康奈尔大学的研究团队基于分子束外延提出了GaN/AlN异质结构，极化掺杂在界面处诱导出了5 × 10¹³ cm^-2 的高密度2DHG[3]，但该外延体系无法直接进行GaN n-FET的制备，因此对于GaN基CMOS器件的研究存在限制。为了突破p-GaN空穴迁移率的理论瓶颈，英国牛津大学的研究团队通过理论计算预测在P型GaN薄膜中引入2%的双轴张应变[4]，或者是外界的单轴压应变，通过晶场劈裂，可将自旋轨道分裂空穴带（split-off hole band，sh）抬升到GaN的价带顶以上。相对于轻空穴和重空穴带，sh空穴带的有效质量可降低至与电子的有效质量接近（m_sh=0.22m_e），从而可将空穴迁移率从无应变的50 cm²/Vs理论极限值提高到120 cm²/Vs，并认为该应变可以通过生长GaN薄层实现。该研究为GaN基P型沟道器件电流能力的提升奠定了理论基础。

图1. 基于超薄势垒p-GaN/AlGaN(<6 nm)/GaN异质结构的p-FETs器件（a）刻蚀与未刻蚀欧姆金属之间p^++-GaN的TLM测试结果图；（b）阶梯式栅槽AFM形貌图；（c）、（d） GaN基p-FETs器件结构图（Sample A 和 Sample B）；（e）接触区能带图；（f）栅下区域能带图。

中科院的研究团队基于超薄势垒AlGaN(<6 nm)/GaN异质结n沟道增强型MIS-HEMT的技术路线，结合极化能带调控理论，通过在p-GaN/AlGaN界面引入2-nm AlN极化插入层，将2DHG密度大幅提升到2.1×10¹³ cm^-2，同时AlN插入层也能有效抑制合金杂质等对2DHG的散射，为高性能GaN p-FETs及其与n-HEMT的集成奠定了材料基础[5]。此外，通过引入重掺杂p^++-GaN盖帽层初步改善了p-FETs经常存在欧姆接触势垒问题，欧姆接触电阻降低至15.69 Ω·mm（图1），同时验证了p-GaN/AlGaN界面的2DHG是p-FET主要的电流通路。

图2. GaN基p-FETs的（a）转移特性曲线；（b）输出特性曲线；（c）耐压测试曲线。

与n-HEMT类似，如何克服GaN的强极化实现高稳定的增强型p-FETs也是GaN基p-FET技术不可回避的瓶颈问题。目前被普遍使用的增强型方法是通过干法刻蚀减薄栅下p-GaN的厚度，削弱极化效应，耗尽栅下空穴以实现增强型。美国麻省理工学院的研究团队对比分析了不同栅下p-GaN厚度时器件的阈值情况，结果发现当栅下p-GaN减薄至9 nm后p-FET可以实现从耗尽型向增强型[6]。相比于美国麻省理工学院研究团队所用的外延结构，中科院团队设计的外延结构添加了Mg重掺杂的p^++-GaN帽层，虽然可以有效的降低欧姆接触电阻，但也可能造成耗尽区更难展宽，影响器件的耐压特性。为解决上述问题，中科院研究团队首先基于TCAD仿真模拟确定了基于超薄势垒结构的p-FETs器件的击穿主要发生在T型栅靠近漏端的栅帽边缘处，进一步开发出低损伤p-GaN刻蚀工艺，并设计出阶梯式栅槽刻蚀的实现方法，通过阶梯结构将栅金属与p^++-GaN层在空间上进行分离，将栅漏间的峰值电场从11.4 MV/cm减少到7.4 MV/cm，显著提升了p-FET的击穿电压。基于超薄势垒p-GaN/AlGaN(<6 nm)/GaN异质结构制备的GaN基绝缘栅p-FET具有106的高电流开关比、-5.6 mA/mm的电流密度及-52 V的击穿电压（图2），性能指标均居于国际先进水平（图3）。

图3. 基于超薄势垒p-GaN/AlGaN(<6 nm)/GaN异质结构的GaN基p-FETs的电流密度、电流开关比及击穿电压与国内外同类型器件对比图。

以上技术路线为全GaN基CMOS和功率集成电路的发展提供了新的设计思路，有助于实现全GaN控制电路、驱动电路和射频、功率器件单片功能融合，推动GaN基功率系统的小型智能化。

推介人

周弘西安电子科技大学，华山领军教授，主要从事新型半导体逻辑和功率器件研究。

参考文献

[1] S. Huang, X. Wang, X. Liu, Y. Li, J. Fan, H. Yin, K. Wei, Y. Zheng, Q. Sun, and B. Shen, “Interface Charge Effects on 2-D Electron Gas in Vertical-Scaled Ultrathin-Barrier AlGaN/GaN Heterostructure,” IEEE Trans. Electron Devices, 68, 36–41, (2021).

[2] R. Chu, Y. Cao, M. Chen, R. Li, and D. Zehnder, “An Experimental Demonstration of GaN CMOS Technology,” IEEE Electron Device Lett., 37, 269–271 (2016).

[3] R. Chaudhuri, S.J. Bader, Z. Chen, D.A. Muller, H.G. Xing, and D. Jena, “A Polarization-induced 2D hole gas in undoped gallium nitride quantum wells,” Science, 365, 1454–1457 (2019).

[4] S. Poncé, D. Jena, and F. Giustino, “Route to High Hole Mobility in GaN via Reversal of Crystal-Field Splitting,” Physical Review Letters, 123, 096602, (2019).

[5] H. Jin, Q. Jiang, S. Huang, X. Wang, Y. Wang, Z. Ji, X. Dai, C. Feng, J. Fan, K. Wei, J. Liu, Y. Zhong, Q. Sun, and X. Liu, “An Enhancement-Mode GaN p-FET With Improved Breakdown Voltage,” IEEE Electron Device Lett., 43,1191–1194, (2022).

[6] N. Chowdhury, J. Lemettinen, Q. Xie, Y. Zhang, N.S. Rajput, P. Xiang, K. Cheng, S. Suihkonen, H.W. Then, and T. Palacios, “p-Channel GaN Transistor Based on p-GaN/AlGaN/GaN on Si,” IEEE Electron Device Lett., 40, 1036–1039, (2019).

前沿推介专栏

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中国物理学会

应用物理前沿推介委员会

主任：吴义政，复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为