宽禁带科技论|双势垒AlGaN/GaN HEMT中超高密度二维电子气与高击穿电压的输运特性研究

近日，广西大学光电材料与器件研究团队在第三代宽禁带半导体材料GaN HEMT研究方面取得突破性进展。相关成果以“Characteristics of transport properties in double barrier AlGaN/GaN HEMT with ultra-high density 2DEG and high breakdown voltage”为题，发表在Nature Index著名学术期刊《Applied Physics Letters》上。

研究背景

氮化镓（GaN）作为宽禁带半导体材料，因自发极化效应和高击穿电场，成为下一代大功率电子器件的候选材料。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）凭借高密度二维电子气（2DEG）和高电子迁移率，兼具低导通电阻和高击穿电压的优势。然而，传统HEMT面临“高2DEG密度与高击穿电压难以兼得”的瓶颈。为此，广西大学光电材料与器件研究团队提出并系统研究了一种双势垒AlGaN/GaN HEMT（DB-HEMT），通过能带调控实现二者的同步优化。

主要创新点

1. 结构创新：提出并制备了Al₀.₄Ga₀.₆N/Al₀.₂Ga₀.₈N/GaN双势垒HEMT。器件采用两种不同Al组分的AlGaN层，在AlGaN/GaN界面形成主量子阱，在AlGaN/AlGaN界面形成子量子阱。
2. 性能突破：实验获得2DEG密度高达2.58×1013 cm⁻2，平均薄层电阻低至268 Ω/sq，击穿电压超过1.5 kV（实测1656 V），同时实现了超高2DEG密度与高击穿电压。
3. 击穿机制新认识：通过TCAD仿真揭示了DB-HEMT耐压增强的物理机制——并非源于峰值电场的降低，而是子量子阱引入了电场重分布和高电场区与高载流子浓度区的空间去耦合，从而抑制了局部自持雪崩的形成，延迟了击穿。
4. 系统优化设计与可靠性评估：通过仿真优化了下势垒Al组分和厚度，并完成了高温稳定性、阈值电压漂移、时间相关栅击穿等全面测试。

图文内容

图1 器件结构与仿真优化

图1（a）为DB-HEMT结构示意图：15 nm Al₀.₄Ga₀.₆N上势垒、5 nm Al₀.₂Ga₀.₈N下势垒及GaN沟道。图1（b）为能带图，显示主量子阱和子量子阱。图1（c）表明下势垒Al组分x=0.2时电流密度最大。图1（d）显示界面电荷密度与Al组分正相关。图1（e）表明下势垒厚度4 nm时性，器件饱和电流达到最大，但当小于4 nm时量子阱耦合导致仿真不收敛。图1（f）证实厚度<4 nm时电子隧穿显著，双阱效应丧失。团队最终选定5 nm下势垒。

图2 材料质量与2DEG性能

图2（a）XRC显示(002)和(102)半高宽0.035°和0.075°，位错密度分别为4.1×10⁷和7.1×10⁷ cm⁻2，晶体质量良好。图2（b）AFM显示RMS粗糙度0.29 nm。图2（c）显示平均薄层电阻268 Ω/sq，标准差2.2%。霍尔测试得2DEG浓度2.58×1013 cm⁻2，迁移率904 cm2/V·s。对比单势垒HEMT（2DEG 1.17×1013 cm⁻2，迁移率1700 cm2/V·s，薄层电阻313 Ω/sq），DB-HEMT性能更优。图2（d）与文献对比，本工作2DEG性能优异。

图3 器件电学特性与可靠性

图3（a）为器件光学显微图（LGD=16 μm，LG=2 μm，LGS=4 μm，WG=100 μm）。图3（b）C-V测试得主阱电子密度1.33×1013 cm⁻2，子阱1.17×1013 cm⁻2。图3（c）转移特性：VTH=-3.4 V，GM=177 mS/mm。图3（d）输出特性：RON=6.8 Ω·mm，IDSAT=908 mA/mm（VG=5 V）。图3（e）高温（70/120°C）下饱和电流略有下降但性能良好。图3（f）正偏压应力1000 s后ΔVTH室温仅0.08 V，120°C下<0.2 V，界面陷阱态很少。

图4 栅极可靠性

图4（a）栅漏电在120°C、-4 V下低于10 μA/mm，高温稳定性良好。图4（b）Weibull分布形状因子β=2.8，工艺均匀性好。图4（c）寿命预测：10年寿命（63%失效率）最大VGS=3.45 V，（1%失效率）为3.05 V

表1 文献中GaN HEMT的关键器件特性汇总

表1将本文DB-HEMT与文献中多个GaN HEMT的关键性能进行对比。结果表明，本文器件在击穿电压（1656 V）上具有显著优势，同时其阈值电压稳定性（ΔVTH=0.08 V）与高性能的MIS-HEMT器件处于同一优异水平。

图5 击穿特性与物理机制

图5（a）关态击穿测试：LGD=16 μm时VBD=1656 V，远高于单势垒HEMT。图5（b）仿真对比：DB-HEMT击穿>1500 V，SB-HEMT仅~1200 V。图5（c）碰撞电离分布：DB-HEMT中电离区向子阱扩展，避免与主沟道重叠。图5（d）（e）横向电场和电离率：DB-HEMT峰值电场相当但衰减更长，高电场区与高载流子区去耦合。图5（f）电子浓度分布：DB-HEMT中高电场区对应较低载流子浓度。子量子阱作为“场吸收层”，分离最大电场与主沟道，延迟雪崩击穿。

成果展望

研究团队指出，由于本研究的DB-HEMT未采用栅介质层，栅漏电相比文献中的MIS-HEMT仍然较高，后续工作将聚焦于解决这一问题。此外，当前器件为耗尽型（VTH=-3.4 V），结合p-GaN栅或凹槽栅技术实现增强型操作，以及进一步评估动态特性，将是推动DB-HEMT实用化的重要方向。该结构为高压GaN功率器件提供了可复现的设计策略，有望在中高压功率电子领域发挥作用。

结 论

该研究报道的Al₀.₄Ga₀.₆N/Al₀.₂Ga₀.₈N/GaN DB-HEMT，通过沟道工程获得了2.58×1013 cm⁻2的2DEG密度、268 Ω/sq的薄层电阻和1656 V的击穿电压。栅漏电在120°C下低于10 μA/mm，1000秒应力下ΔVTH<0.1 V，时间相关栅击穿预测10年寿命（63%失效率）最大VGS为3.45 V。研究揭示了DB-HEMT击穿增强的物理机制——电场重分布与场-载流子去耦合，而非峰值电场的降低。该成果为突破传统HEMT中导通性能与耐压能力相互制约的瓶颈提供了新的思路和实用策略。

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原文详情：

Lei Li, Yaoze Li, Zhijian Zhou, Zhuokun He, Baohua Liu, Qianqian Luo, Jianyu Deng, Wenhong Sun; Characteristics of transport properties in double-barrier AlGaN/GaN HEMT with ultra-high density 2DEG and high breakdown voltage. Appl. Phys. Lett. 30 March 2026; 128 (13): 132103

论文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0318911.

*声明：本文由联盟编译整理，笔者水平有限，理解与转述可能存在不准确之处，欢迎各位读者留言指正，共同交流学习。感谢阅读！