【氮化镓】全耗尽p-GaN HEMT的栅极特性

J. Sun et al., "Gate Characteristics of Enhancement-Mode Fully Depleted p-GaN Gate HEMT," in IEEE Electron Device Letters, vol. 44, no. 12, pp. 2015-2018, Dec. 2023, doi: 10.1109/LED.2023.3324011.

keywords: {HEMTs;Wide band gap semiconductors;Aluminum gallium nitride;Junctions;Gallium nitride;Magnesium;Fully depleted p-GaN;gate current;Mg activation},

概括

该研究聚焦于提升氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMTs）的性能，特别是通过改变p-GaN（钆镓）栅极的特性来降低栅极电流（IG），并提高器件的可靠性和制造性。研究团队通过在Schottky型p-GaN栅极HEMTs中将传统的p-GaN转换为类似绝缘体的全耗尽p-GaN，实现了在正向栅极偏压（VGS）下的栅极电流显著降低，并改变了正向VGS分配机制，从而显著降低了器件在高温下的热载流子生成。

研究背景

传统的p-GaN栅极HEMTs在商业E模式GaN功率器件中占据主导地位，因为它们提供了性能、可靠性和制造性的平衡组合。然而，这些器件的正向栅极击穿电压（VGBD）通常受到较高的栅极电流（IG）和靠近p-GaN表面的电场限制。此外，长期栅极介电可靠性问题和界面/边界陷阱问题需要在商业化之前解决。

研究目的

本研究旨在通过不充分激活（IA）Mg掺杂剂来减少p-GaN中的自由空穴浓度，从而实现全耗尽的p-GaN层，以降低正向栅极偏压下的栅极电流，并探索这种改变对器件性能的影响。

实验方法

研究团队在6英寸GaN-on-Si晶片上制造了p-GaN栅极HEMTs，并通过改变Mg掺杂剂的激活退火温度来实现不充分激活（IA）。实验中使用了多种结构参数和器件配置，包括不同温度下的栅极电流（IG）测量、电容特性分析和二维TCAD模拟。

研究结果

实验结果显示，与采用传统充分激活（AA）的器件相比，在25°C至150°C的温度范围内，全耗尽p-GaN栅极HEMTs的栅极电流在7V的VGS下降低了3到5个数量级。此外，器件的阈值电压（VTH）降低了约0.8V，表明在零VGS下p-GaN层也是全耗尽的。电容特性分析和TCAD模拟进一步证实了全耗尽p-GaN层的存在，并揭示了正向VGS在p-GaN和AlGaN之间的厚度依赖性电压分配。

结果解释

全耗尽的p-GaN层导致通过肖特基结的空穴电流显著降低，而高VGS下的电子溢出电流开始占主导地位。此外，热载流子被排除在正向栅极击穿机制之外。这种改变有助于减少器件在高温下的热载流子生成，提高器件的可靠性。

• 全耗尽p-GaN层的形成：通过不充分激活Mg掺杂剂，减少了p-GaN层中的自由空穴浓度，使得在正向栅极偏压下，p-GaN层变为全耗尽状态，类似于绝缘体。
• 栅极电流的降低：全耗尽p-GaN层导致了更高的肖特基势垒，从而抑制了通过肖特基结的空穴电流，同时在高VGS下，电子的热发射（TE）电流开始占主导地位。
• 电压分配的改变：在FD p-GaN栅极堆叠中，正向VGS主要在p-GaN和AlGaN层之间根据厚度进行分配，而不是依赖于电流平衡，这与传统的PD p-GaN栅极堆叠不同。
• 击穿电压的变化：由于全耗尽p-GaN层的存在，器件的击穿电压受到热电子轰击机制的影响，这在高温下尤为明显，导致击穿电压随温度升高而降低。
• 温度依赖性：FD p-GaN栅极HEMT在高温下表现出更好的栅极电流和击穿电压特性，这与热载流子生成的减少有关。

创新点和亮点

• 创新性地将p-GaN层转换为类似绝缘体的全耗尽p-GaN，实现了栅极电流的显著降低。
• 揭示了全耗尽p-GaN层在正向栅极偏压下的电压分配机制，与传统部分耗尽p-GaN层相比，具有不同的电流平衡原理。
• 通过实验和模拟相结合的方法，全面分析了全耗尽p-GaN栅极HEMTs的特性，为进一步优化器件性能提供了理论依据。

研究的意义和应用前景

这项研究对于提升GaN基HEMTs的性能和可靠性具有重要意义。通过降低栅极电流和热载流子生成，全耗尽p-GaN栅极HEMTs有望在高温和高效率应用中发挥更大的作用，例如在电力电子和无线通信系统中。此外，这项工作为未来GaN功率器件的设计和制造提供了新的视角，有助于推动相关技术的商业化进程。

图1: Schottky型p-GaN栅极HEMT的截面示意图及转移特性

图1(a) 展示了采用不充分激活（IA）Mg的Schottky型p-GaN栅极HEMT的截面示意图。图中可见，该结构包括了一个约80纳米厚的p-GaN层，该层在正向栅极偏压下变为类似绝缘体的材料，从而减少了自由载流子的浓度。

图1(b) 显示了IA设备的准静态转移I-V特性。可以看到，转移特性表现出小的迟滞现象，且在1V的漏极至源极电压（VDS）下，阈值电压（VTH）约为0.8V。

图1(c) 比较了在25°C下IA和充分激活（AA）设备的脉冲转移I-V曲线。这些曲线用于评估不同激活条件下器件的阈值电压差异。

图2: 全耗尽（FD）和部分耗尽（PD）p-GaN栅极堆叠的电容特性

图2(a) 展示了FD和PD p-GaN栅极堆叠的栅极电容（CG）特性。对于AA样本，随着栅极电压（VG）的增加，CG逐渐减小，表明p-GaN层的耗尽区域在扩展。而对于IA样本，CG几乎不变，表明p-GaN层在正向偏压下保持全耗尽状态。

图2(b) 为FD p-GaN栅极堆叠在VGS=0V时的能带示意图。图中展示了在全耗尽状态下，p-GaN层中不存在自由载流子。

图3: FD p-GaN栅极堆叠的模拟能带图和电压分布

图3(a) 通过二维TCAD模拟展示了在不同VGs和VDS=0V条件下FD p-GaN栅极堆叠的能带图和空间电压分布（V(x)）。模拟使用了实际器件的结构参数，并设定了AlGaN的有效Mg掺杂浓度。

图3(b) 展示了在不同VGS下p-GaN层（Vp-GaN）和AlGaN/GaN异质结（VAIGaN/GaN）的电压降。图中可见，在VGS小于VTH时，AlGaN/GaN异质结的电压降增加较快，而在VGS大于VTH时，电压降的增加趋于线性。

图4: FD和PD p-GaN栅极HEMT的栅极电流特性

图4 展示了在25°C下FD和PD p-GaN栅极HEMT的准静态栅极电流（IG）特性。图中显示，FD p-GaN栅极HEMT的IG显著低于PD p-GaN栅极HEMT，表明全耗尽p-GaN层有效抑制了栅极电流。

图5: FD和PD p-GaN栅极堆叠在高VGS下的能带示意图

图5(a) 和 图5(b) 分别展示了FD和PD p-GaN栅极堆叠在VGS=10V时的能带示意图。这些图解释了在高VGS下，电子和空穴电流在两种栅极堆叠中的分布情况。

图6: 不同温度下栅极电流和击穿电压的箱线图

图6(a) 展示了在VGS=7V下FD和PD p-GaN栅极HEMT的栅极电流（IG）的箱线图。箱线图显示，FD p-GaN栅极HEMT的IG在所有测试温度下均显著低于PD p-GaN栅极HEMT。

图6(b) 和 图6(c) 分别展示了在不同温度下PD p-GaN栅极HEMT的正向VGBD和IGBD（击穿前栅极电流）的箱线图。这些结果与热电子轰击机制一致，表明在高温下，电子轰击对器件击穿的影响更为显著。