科技论|κ-Ga₂O₃/GaN HEMT的性能与p-GaN栅极常关型操作研究

近日，无锡学院张燕芳团队在学术期刊发表研究论文“Performance of κ-Ga₂O₃/GaN HEMTs and Normally off Operation by p-GaN Gate”，通过数值模拟系统研究了κ-Ga₂O₃/GaN HEMT的二维电子气特性和器件性能。κ-Ga₂O₃/GaN异质结的2DEG面密度达1.05×101⁴ cm⁻2，较传统AlGaN/GaN HEMT提高近一个数量级，最大漏极电流密度达4.40 A/mm，亚阈值摆幅低至63.2 mV/decade；通过引入p-GaN盖帽层，成功实现了阈值电压为正的常关型操作。

研究背景

基于GaN的HEMT是实现高功率和高频性能的关键器件，其优越特性源于极化诱导的二维电子气，室温下具有高载流子密度（~1×1013 cm⁻2）和高迁移率（~2000 cm2 V⁻1 s⁻1）。进一步提升异质界面处的2DEG密度对于增强HEMT的输出性能至关重要。

超宽禁带半导体Ga₂O₃已成为下一代功率电子的研究热点。κ-Ga₂O₃因其非中心对称的正交晶体结构，具有高达23 μC/cm2的自发极化系数，超过AlN（~8.1 μC/cm2）和GaN（~2.9 μC/cm2）。 基于κ-Ga₂O₃的异质结可支持极高密度的2DEG。κ-Ga₂O₃在GaN及其他III族氮化物半导体上的生长已被证明可行，这为基于κ-Ga₂O₃/GaN异质结的高性能HEMT器件设计与制备提供了可能。

图文导读

κ-Ga₂O₃/GaN异质结的能带结构与2DEG特性

图1 κ-Ga₂O₃/GaN与AlGaN/GaN异质结的能带和电子密度分布

图1a显示，κ-Ga₂O₃/GaN异质结的导带和价带在κ-Ga₂O₃势垒层中呈现明显的线性弯曲，源于κ-Ga₂O₃/GaN异质结中强极化电场的作用。在κ-Ga₂O₃/GaN异质界面处形成了1.38 eV的导带偏移，在GaN一侧形成限制载流子的三角势阱。电子浓度在界面处出现尖锐峰值，峰体积浓度达9.90×102⁰ cm⁻3，对应2DEG面密度为1.05×101⁴ cm⁻2。 作为对比，Al₀.₃Ga₀.₇N/GaN异质结的2DEG峰密度仅约8.21×101⁹ cm⁻3，面密度为1.09×1013 cm⁻2。κ-Ga₂O₃/GaN异质结的2DEG面密度比Al₀.₃Ga₀.₇N/GaN高一个数量级，甚至超过了AlN/GaN异质结6×1013 cm⁻2的上限。

转移特性与输出特性对比

图2 κ-Ga₂O₃/GaN与AlGaN/GaN HEMT的转移特性及跨导

图2展示了VDS=5 V时的转移特性。κ-Ga₂O₃/GaN HEMT在VGS=2 V时的最大漏极电流密度达4.40 A/mm，而AlGaN/GaN仅为0.49 A/mm。κ-Ga₂O₃/GaN的ID,max约为AlGaN/GaN的一个数量级，归因于κ-Ga₂O₃/GaN界面更高的2DEG密度。 κ-Ga₂O₃/GaN HEMT的峰值跨导为0.45 S/mm，约为AlGaN/GaN（0.09 S/mm）的5倍。亚阈值摆幅方面，AlGaN/GaN为84.0 mV/decade，而κ-Ga₂O₃/GaN为63.2 mV/decade，接近理想范围。这表明κ-Ga₂O₃/GaN界面极化诱导的高密度2DEG使器件能够实现高功率密度和低功耗。 阈值电压方面，κ-Ga₂O₃/GaN为-16.8 V，AlGaN/GaN为-6.2 V，更负的阈值电压源于更高的2DEG密度。

图3 κ-Ga₂O₃/GaN与AlGaN/GaN HEMT的输出特性

图3a中κ-Ga₂O₃/GaN HEMT在VDS=15 V、VGS=2 V时的最大漏极电流密度达10.87 A/mm，而图3b中AlGaN/GaN仅为0.78 A/mm。导通电阻方面，κ-Ga₂O₃/GaN为0.89 Ω·mm，AlGaN/GaN为10.21 Ω·mm，意味着κ-Ga₂O₃/GaN具有更低的导通损耗。

κ-Ga₂O₃势垒厚度对器件性能的影响

图4 不同κ-Ga₂O₃厚度下的导带分布与2DEG面密度

图4a显示，在所研究的所有厚度下，费米能级均穿透进入导带，形成三角量子阱。图4b中，2DEG密度随κ-Ga₂O₃厚度增加而增大，并在厚度约40 nm时逐渐饱和，饱和值为1.12×101⁴ cm⁻2。 这一行为源于极化场与转移电子产生的屏蔽场之间的静电平衡。

图5 阈值电压与峰值跨导随κ-Ga₂O₃厚度的变化

图5a中Vth为负值，其绝对值随势垒厚度增加而增大，源于量子阱的加深。图5b中峰值跨导随势垒厚度增加而降低，归因于较厚势垒导致栅极电容下降。当势垒层为2 nm时，gm,max达1.08 S/mm，最大漏极电流接近2.0 A/mm。这说明κ-Ga₂O₃/GaN异质结适用于制备超薄器件，在保持大漏极电流和高跨导的同时具备优势。

p-GaN栅极实现常关型操作

图6 p-GaN栅极κ-Ga₂O₃/GaN HEMT结构与转移特性

图6a展示了引入p-GaN盖帽层的器件结构。图6b中，无p-GaN盖帽层的κ-Ga₂O₃/GaN HEMT阈值电压为-1.50 V，最大漏极电流密度为2.26 A/mm。当p-GaN层受主浓度超过8×101⁷ cm⁻3时，Vth正向偏移，实现了增强型（常关型）操作。 图6c的导带图显示，p-GaN层的p型导电性有效抬升了势垒，耗尽2DEG，从而导致Vth正向偏移。值得注意的是，p-GaN盖帽层的引入并不保证常关型操作，受主浓度的恰当选择对有效耗尽2DEG至关重要。

结论与展望

（1）κ-Ga₂O₃/GaN异质结的2DEG面密度达1.05×101⁴ cm⁻2，较AlGaN/GaN提高约一个数量级，源于κ-Ga₂O₃更强的极化电场和更深的势阱。

（2）势垒厚度为25 nm时，κ-Ga₂O₃/GaN HEMT的最大漏极电流密度达4.40 A/mm，峰值跨导0.45 S/mm，导通电阻0.89 Ω·mm，亚阈值摆幅63.2 mV/decade。 输出特性中最大漏极电流密度达10.87 A/mm。

（3）2DEG密度随势垒厚度增加而增大并在40 nm时饱和（1.12×101⁴ cm⁻2）；Vth绝对值随势垒厚度增加而增大，gm,max随势垒厚度增加而降低。

（4）通过引入50 nm厚的p-GaN盖帽层（受主浓度>8.0×101⁷ cm⁻3），成功实现了正阈值电压（0.92 V）的常关型操作。

尽管κ-Ga₂O₃/GaN HEMT在模拟中展现出优异的性能潜力，实验报道的载流子浓度通常低于理论值，这一差异可能源于势垒层内的陷阱态和界面非理想因素，包括氧空位、杂质相关陷阱、界面粗糙度和表面/界面态。高κ钝化层和界面工程对于抑制表面态、改善载流子输运至关重要。本研究的发现揭示了κ-Ga₂O₃/GaN异质结在高效能和常关型功率电子领域的显著优势，为下一代极化工程器件提供了重要的物理见解和设计指导。

原文详情：

Zhang, Y.; Hao, J.; Huang, C.; Dong, Y.; Chen, Q.; Fang, K.; Qian, D.; Xiao, G. Performance of κ-Ga2O3/GaN HEMTs and Normally off Operation by p-GaN Gate. Micro 2026, 6, 48.

论文链接：
https://doi.org/10.3390/micro6030048

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