广东省科学院半导体研究所在GaN功率器件耐压增强技术取得新突破

导读

近日，广东省科学院半导体研究所先进材料平台苗振林、吴新宇、任星霖和廖富达等成员，在GaN功率器件核心技术领域取得重要突破，提出并验证了一种基于β-Ga₂O₃背势垒GaN HEMT器件新结构，成功解决了传统AlGaN背势垒器件因极化效应产生寄生导电通道、耐压提升受限的行业共性难题。相关研究成果发表于期刊Physica Scripta。

在传统AlGaN/GaN HEMT结构中，沟道下方的限制势垒远低于AlGaN侧的异质结势垒，对电子的约束作用较弱；关态高漏极偏置条件下，源端注入的电子会绕过栅极控制区域下的缓冲层，从源极流向漏极形成漏电通路，直接导致器件击穿电压下降。业内通常通过引入AlGaN背势垒缓解这一问题，但AlGaN与GaN缓冲层之间的极化效应，会在AlGaN背势垒/GaN缓冲层界面形成寄生导电通道，反而制约了器件耐压能力的进一步提升，成为阻碍GaN功率器件向更高电压等级发展的关键技术壁垒。

图 1（a）β-Ga₂O₃背势垒 GaN HEMT 器件结构；

（b）β-Ga₂O₃与 AlGaN 背势垒器件耐压能力对比

针对上述技术瓶颈，研究团队创新性地将β-Ga₂O₃超宽禁带材料引入背势垒设计，利用其超宽禁带、无极化效应的本征特性，在沟道下方形成高势垒阻止电子通过缓冲层形成源漏穿通，同时避免极化效应产生的界面寄生导电通道。在β-Ga₂O₃背势垒器件中，泄漏电流被限制在沟道层，源漏间穿通电流被部分抑制，漏极电极附近强电场引起的碰撞电离导致器件击穿；而在AlGaN背势垒器件中，高压应力导致电子通过寄生沟道连通源极和漏极，源漏间穿通泄漏先于强场导致的碰撞电离击穿，限制器件击穿电压进一步提升（图2）。

图2热平衡状态下（a）能带分布对比图；（b）电子浓度分布对比图；（c）β-Ga₂O₃背势垒器件泄漏电流路径；（d）AlGaN背势垒器件泄漏电流路径

团队进一步研究了沟道层厚度（Tch）对β-Ga₂O₃背势垒器件耐压能力的影响，明确了其内在物理机理并确认器件的极限性能。所提出的β-Ga₂O₃背势垒器件泄漏电流随沟道层厚度的增加单调增加，击穿电压呈现先增加再减小的规律。电场分布曲线表明，栅极漏侧电场随着Tch的增加而增加，漏极电极附近电场则随着Tch的增加而降低（图3）。

图3不同沟道层厚度条件下（a）电流电压曲线；

（b）电场分布曲线

当沟道层厚度为180nm时，p-GaN栅极对沟道层的控制作用更强，源漏穿通更难发生，电场在漏极电极附近充分集中，此时电流路径为漏极至栅极，碰撞电离机制占据主导；当沟道层厚度为220nm时，p-GaN栅极对沟道层的控制作用下降，源漏间穿通电流小幅度上升，漏极电极附近电场峰值由于泄漏电流增加的原因而降低，此时源漏穿通与碰撞电离两种机制相互竞争；当沟道层厚度为260nm时，p-GaN栅极对沟道层的控制作用下降更多，源漏穿通电流变大，沟道下方的弱耗尽区显著扩展，漏极电势对栅控区域影响加剧，源漏穿通机制占据主导(图4)。

图4泄漏电流路径分布（a）Tch=180 nm；（b）Tch=220 nm；（c）Tch=260 nm

本工作利用TCAD工具对β-Ga₂O₃背势垒p-GaN HEMT器件的能带分布、载流子输运和电场调制特性进行系统地研究。结果表明，与结构相同的AlGaN背势垒器件相比，β-Ga₂O₃背势垒器件的击穿电压从959V提升至1117V；进一步的研究表明，β-Ga₂O₃背势垒器件的击穿电压随沟道层厚度呈现先增加再减小的关系，最佳沟道层厚度为220nm，此时器件击穿电压达到1145V，且随沟道层厚度增加，器件的击穿机制由强场击穿向源漏穿通转变。

该研究通过能带工程设计实现了GaN HEMT器件耐压能力的有效提升，首次系统揭示了β-Ga₂O₃背势垒结构的耐压增强机制与沟道厚度调控规律，为高性能GaN功率器件的结构优化提供了全新的技术路径，对推动宽禁带半导体功率器件在高压电力电子领域的应用具有重要的理论指导意义和工程参考价值。

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相关论文链接：
https://doi.org/10.1088/1402-4896/ae82a0

信息来源：广东省科学院半导体研究所

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