西电张进成团队 | 一种具有叠层钝化结构的高耐压低功耗GaN功率器件

GaN 功率器件具有高临界击穿场强、高开关频率、高转换效率等优点，在快充、电源、数据中心、电动汽车等领域具有广阔的应用前景。GaN 功率器件通常制备在基于硅或蓝宝石衬底的 AlGaN/GaN 异质结上。由于硅和蓝宝石衬底的热导率较低，降低器件的功耗可以简化硅或蓝宝石衬底上 GaN 功率器件的散热设计。

近年来，AlGaN/GaN/AlGaN 双异质结(DH)高电子迁移率晶体管(HEMT)由于其低漏电和低关态功耗而得到了广泛的研究。通过优化材料的结晶质量和设计新颖的器件结构，提高了 DH-HEMT 的性能。虽然近年来对 DH-HEMT 的研究在耐压和静态功耗方面取得了很大的突破，但对 DH-HEMT 的动态特性和可靠性的研究相对较少。此外，还需要进一步提高 DH-HEMT 的击穿电压，降低功率损耗，以满足电动汽车和充电设备等众多应用的需求。然而，要制造出同时具备高击穿电压、低亚阈值摆幅、低漏电、低动态导通电阻退化和高可靠性的 DH-HEMT 是极其困难的。

为了进一步提高 DH-HEMT 的性能，西安电子科技大学张进成教授团队设计了一种具有欧姆 / 肖 特 基 复 合 漏 极 结 构 和 Al2O3/SiO2 叠 层 钝 化 结 构 的
Al0.3Ga0.7N/GaN/Al0.1Ga0.9N DH-HEMT，如图 1 所示，该器件具有 10-8 mA/mm 的低泄漏电流、超过1010 的高开关比和较低的亚阈值摆幅 63 mV/dec。如图 2 所示，在 200℃的高温测试条件下，该器件仍具有 109 的高开关比，在栅偏压为-20V、-10V 和 2 V 时，器件的阈值电压漂移量小于 0.25 V，该器件表现出良好的高温特性和阈值电压的稳定性。

此外，如图 3 所示，所制备的器件具有超过3000 V的高击穿电压和极低的关态功耗，在 650 V 的静态漏压偏置点下，器件的动态导通电阻退化量被抑制在 30%以下。这些优异的结果表明该器件在高温、大功率应用中具有巨大潜力。

Yutong Fan, Xi Liu, Ren Huang, Yu Wen, Weihang Zhang, Jincheng Zhang, Zhihong Liu & Shenglei Zhao. High-Breakdown-Voltage (>3000V) and Low-Power-Dissipation Al0.3Ga0.7N/GaN/Al0.1Ga0.9N Double-Heterostructure HEMTs with Ohmic/Schottky Hybrid Drains and Al2O3/SiO

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passivation. Sci China Inf Sci, doi:10.1007/s11432-022-3707-2

作者简介

樊昱彤，西安电子科技大学，博士研究生

张苇杭，西安电子科技大学，副教授

张进成，西安电子科技大学，教授

来源：中国科学信息科学