西安电子科技大学郝跃院士团队张进成教授、赵胜雷教授研究组：利用原位生长技术提高p- ...

GaN基HEMT器件具有耐高压、低损耗、快开关速度、耐高温、抗辐照等特点在5G通讯、数据中心、汽车工业、太空探索等领域具有广泛的应用前景。作为实现常关工作的主要方法之一，具有良好可靠性的p-GaN栅HEMT结构引起了广泛关注并被商业化。目前在功率开关应用中存在两个问题：

1. 器件阈值电压低，栅驱动噪声较大时器件容易发生误开启或关断；
2. 栅极耐压较低，器件栅极的电压工作窗口较小，对栅驱动的设计提出了更高要求。

本团队提出在p-GaN层表面原位生长10nm SiN帽层，形成金属-绝缘体-半导体（MIS）结构。透射电镜（TEM）与能谱分析（EDX）证实，SiN层与p-GaN层形成了无缺陷的陡峭界面，有效减少了位错与杂质。原位SiN层的引入使AlGaN/GaN界面的导带进一步抬升，增强了对二维电子气（2DEG）的耗尽效果，阈值电压从1.67V跃升至3.25V，有效降低了噪声引发的误开启风险。原位SiN层与p-GaN层形成低缺陷界面，反向漏电流降低三个数量级，正向击穿电压从10.2V提升至16.3V。基于E模型的10年寿命预测显示，最大允许栅极电压从6.3V提升至11.4V，栅极电压摆幅达8.15V，较传统器件提升76%。

对比本团队2023年在IEEE TED发表的原位AlN/p-GaN技术（阈值电压3.9V，最大允许栅极电压12.1V），本次APL成果通过SiN材料的独特优势实现了互补优化。在保持高阈值电压的同时，导通电阻较IEEE TED器件降低63%（9.9Ω·mm vs. 26.3Ω·mm）。两种技术均通过原位生长工艺实现高界面质量，为宽禁带半导体器件的可靠性设计提供了多样化解决方案。

相关成果已获得国家发明专利授权。该研究成果为高压电力电子器件提供了更广阔的安全工作窗口，尤其适用于电动汽车充电模块、工业变频器等对可靠性要求严苛的场景。新型p-GaN栅极HEMT器件将加速电力电子行业向高效化、小型化方向发展。本论文成果在郝跃院士、张进成教授指导下完成，第一作者为博士生张嘎，通讯作者为赵胜雷教授、宋秀峰助理研究员。

图1 SiN/p-GaN HEMT器件(a)结构示意图(b)元素分布图(c)TEM图(d)局部放大图

图2 传统p-GaN HEMT与新型SiN/p-GaN HEMT器件(a)转移特性(b)跨导特性

图3 传统p-GaN HEMT与新型SiN/p-GaN HEMT器件的栅极泄漏特性

图4 (a)传统p-GaN HEMT与(b)新型SiN/p-GaN HEMT器件的十年寿命预测

团队介绍

团队以郝跃院士为首席科学家，先后获得国家首批国防科技创新团队、西安电子科技大学优秀创新团队、全国高校黄大年式教师团队等称号。团队长期从事宽禁带半导体材料与器件、微纳米半导体器件、与高可靠集成电路芯片等科学研究。近年来牵头获得了国家科技进步一等奖1项，国家技术发明二等奖2项，国家科技进步二等奖1项，陕西省最高科学技术奖1项，核心技术成果已在国家重大工程中成功应用。团队以解决国家重大需求为己任，坚持爱国奉献、立德树人、科教兴国的初心使命，开拓进取，勇攀宽禁带半导体科技高峰。

张进成，西安电子科技大学副校长，二级教授。何梁何利基金科学与技术创新奖获得者，国家自然基金杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授。中国电子学会空间电子学分会第六、七届委员，中国物理学会半导体物理专业委员会委员，曾任ICNS（国际氮化物半导体会议）、DRIP（国际缺陷识别检测会议）等国际学术会议电子器件分会主席，全国半导体物理学术会议组织委员会副主席。长期从事宽禁带半导体氮化镓、超宽禁带半导体氧化镓与金刚石研究，在低缺陷外延材料与新型异质结构、大功率射频器件与电路、高压电力电子器件等方面取得一系列重要创新成果，成功应用到北斗导航卫星、5G通信基站等国家重大工程中，代表性成果入围“十三五”国家科技成就展。以第一和第二完成人获得国家技术发明二等奖2项，省部级科技一等奖7项。发表高水平学术论文200余篇，出版专著3部，授权发明专利100余项，在国内外学术会议做特邀报告50余次。

赵胜雷，西安电子科技大学教授，博士生导师，国家级青年人才，华山特聘教授。主要研究方向为氮化镓功率器件与应用，曾在华为2012实验室、中国电科参与研发功率半导体器件，具有丰富的产业化经历。近年来主持国家万人计划、国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目10余项。围绕氮化镓功率器件，发表IEEE TPE、EDL、TED等SCI期刊论文80余篇，被半导体领域国际专业媒体Compound Semiconductor专题报道，申请与授权国家发明专利80余项，获得陕西省技术发明一等奖1项，中国电子学会技术发明一等奖1项，中国核学会科技进步一等奖1项。

文章信息

Improved gate reliability of normally off p-GaN gate HEMTs with in situ SiN cap-layer

Ga Zhang; Shenglei Zhao; Xiufeng Song; Longyang Yu; Xuejing Sun; Chuangzhe Cao; Shuzhen You; Zhihong Liu; Yue Hao; Jincheng Zhang

Appl. Phys. Lett. 125, 192108 (2024)

https://doi.org/10.1063/5.0237694

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来源：AIPP学术

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