近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所郭煒研究員在GaN HEMT器件研究中取得新進展，相關工作以Al2O3/in-situ?GaON gate dielectrics incorporated GaN MIS-HEMTs with stable VTH?and significantly reduced interface state density（具有高閾值電壓穩(wěn)定性和低界面態(tài)密度的Al2O3/原位GaON柵介質(zhì)高電子遷移率晶體管研究）為題發(fā)表在學術期刊Applied Physics Letters中。?
研究背景
基于槽柵結構的MIS-HEMT增強型高電子遷移率晶體管具有閾值電壓大、柵極驅(qū)動電路簡單等優(yōu)勢，是下一代高頻功率開關器件的重點研究方向之一。但相比產(chǎn)業(yè)界常用的p-GaN柵HEMT，MIS-HEMT存在刻蝕界面缺陷多誘發(fā)閾值電壓（VTH）漂移與電流遲滯等問題。因此，開發(fā)與槽柵刻蝕工藝兼容的低界面缺陷態(tài)MIS柵介質(zhì)是改善器件綜合性能的關鍵。
主要研究內(nèi)容
中科院寧波材料所研究團隊創(chuàng)新性提出采用低損傷數(shù)字刻蝕工藝，在槽柵刻蝕表面原位形成GaON鈍化層，并在其上再通過ALD技術沉積Al2O3介質(zhì)層，形成Al2O3/in situ GaON 疊層柵介質(zhì)，實現(xiàn)了對凹槽柵缺陷的有效鈍化，降低了界面缺陷態(tài)密度（Dit），顯著增強了HEMT器件的溫度和電壓穩(wěn)定性。
在槽柵刻蝕后，AlGaN勢壘層存在一定的等離子體損傷缺陷。因此，原位?GaON的形成過程在消除表面缺陷、鈍化懸掛鍵方面發(fā)揮了關鍵作用。圖1展示了分別采用Al2O3/in situ GaON雙層柵介質(zhì)、單層Al2O3介質(zhì)和單層GaON介質(zhì)的MIS-HEMT器件在不同柵偏壓與不同溫度下的轉(zhuǎn)移特性。當器件在最大柵壓4至12 V范圍內(nèi)進行雙掃（dual-sweep）測試時，采用雙層介質(zhì)和單層GaON介質(zhì)的MIS-HEMT器件的VTH僅發(fā)生了60 mV的漂移，而采用單層Al?O?介質(zhì)的器件則表現(xiàn)出明顯的遲滯現(xiàn)象。在溫度升高時，HEMT器件更容易受到介電層與III-族氮化物界面處熱激活陷阱的影響。雙層Al?O?/in situ GaON器件的VTH漂移僅為約–0.28 V，遠小于單層Al?O?器件的–0.88 V。C-V測試證明，基于疊層柵介質(zhì)的MIS-HEMT Dit?在4×1011-2×1012?cm-2?eV-1范圍，為領域內(nèi)報道的MIS-HEMT結構的最好水平之一。綜上，結合原位GaON的低界面態(tài)密度特點和Al2O3柵介質(zhì)禁帶寬度大的優(yōu)勢，可以實現(xiàn)器件開關比和VTH穩(wěn)定性的協(xié)同提升。
?
圖1，采用Al?O?/in situ GaON 雙層介質(zhì)（a, d），單一Al?O?介質(zhì)（b, e），單一GaON介質(zhì)（c, f）的MIS-HEMT在不同柵偏壓和溫度下的轉(zhuǎn)移特性曲線
通過高分辨透射電鏡（HRTEM）與幾何相變分析（GPA），團隊發(fā)現(xiàn)Al2O3/GaN界面存在明顯的晶格畸變，而相比之下原位GaON插層可有效緩解該失配，形成均勻的晶格過渡區(qū)。進一步XPS分析也確認，GaON層中Ga-O鍵成分明顯增強，說明其作為“原生氧化層”在缺陷鈍化中發(fā)揮了關鍵作用。該工作對于改善MIS-HEMT器件的穩(wěn)定性和可靠性、促進MIS-HEMT商業(yè)化應用提供了重要參考。
?
圖2?在Al?O?/GaN 和 Al?O?/in situ?GaON/GaN界面處的高分辨透射電子顯微鏡及對應的晶格常數(shù)分布圖：Al?O?/GaN界面（a, b），Al?O?/in situ GaON/GaN界面（c, d）?
論文第一作者為中科院寧波材料所研究生羅天，通訊作者為中科院寧波材料所郭煒研究員和葉繼春研究員。工作得到了國家自然科學基金、固態(tài)微波器件與電路國家重點實驗室以及寧波市重點研發(fā)計劃等項目的大力支持。?
論文信息
Al2O3/in situ GaON gate dielectrics incorporated GaN MIS-HEMTs with stable VTH?and significantly reduced interface state density
Tian Luo, Sitong Chen, Ji Li, Fang Ye, Zhehan Yu, Wei Xu, Jichun Ye*, Wei Guo*
Appl. Phys. Lett. 126, 063503 (2025)