常关型宽禁带氮化镓MOS场效应晶体管的研究

第三代半导体材料GaN具有宽禁带、高击穿临界电场强度、高饱和电子漂移速度等特点，与传统Si材料相比，更加适合于制作高功率大容量、高开关速度电力电子器件，比传统Si材料更节能。但是与Si材料相比，GaN材料更加难于制成电力电子技术所必需的常关型开关晶体管，这是科技界与企业界公认的科技难点。本项目以研发具有自主知识产权的高性能GaN 基常关型场效应晶体管核心技术为目标，以期解决在器件制备过程中的关键技术问题。本项目在我们前期"利用选择区域生长法制作常关型AlGaN/GaN异质结构场效应晶体管"的基础上，主要研究以下三个方面的内容，：(1)二次生长界面控制机理与技术的研究，以期获得高质量二次生长AlGaN异质结构；(2) 选择性生长掩膜材料对氮化物半导体的影响机理，以保证高质量栅沟道的形成；(3) 高性能绝缘材料的制备以及三族氮化物MOS界面控制机理与技术的研究，以期获得高质量栅介质层。

第三代半导体材料GaN具有宽禁带、高击穿临界电场强度、高饱和电子漂移速度等特点，与传统Si材料相比更加适合于制作高功率大容量、高开关速度电力电子器件，而且可以实现系统小型化、轻量化，大大降低制作成本，在消费类电子、云服务、新能源、汽车电子等领域拥有巨大的应用前景。..本项目以研发具有自主知识产权的高性能GaN 基常关型场效应晶体管核心技术为目标，主要研究以下三个方面的内容，：(1)二次生长界面控制机理与技术的研究；(2) 选择性生长掩膜材料对氮化物半导体的影响机理研究；(3) 高性能绝缘材料的制备以及三族氮化物MOS界面控制机理与技术的研究。..项目进展顺利，并取得了一系列科研成果：.（1）在Si衬底GaN异质材料外延生长方面：我们在AlN/GaN超晶格结构Si上GaN外延层中，首次确认表征超晶格中GaN 应力状态的Raman光谱特征峰（Jpn. J. Appl. Phys., Vol.54）。观测到该结构中表征GaN应力状态的常规GaN E2H特征峰出现了分峰现象，该分峰为AlN/GaN超晶格结构中GaN的应力特征峰。这一发现的科学意义在于为实现AlN/GaN超晶格结构Si上GaN的应力调控提供了可靠依据和判据，为实现高耐压Si衬底GaN外延奠定基础。依此进一步确认了超晶格中AlN和GaN相对厚度及超晶格总周期数是影响顶层GaN的应力状态的主要因素。基于此发现，结合C掺杂技术，我们在不破坏系统应力平衡的前提下，获得了2.5微米厚度高电压耐受的GaN外延层（266 V@1 nA/mm; 698 V@10 μA/mm; 912 V@1 mA/mm），单位外延层厚度击穿电压高达181V/μm（Semicond. Sci. Technol. ）。.（2）在增强型GaN功率开关器件制备方面：采用具有自主知识产权的专利技术（SAG）方法，实现了高性能的槽栅结构增强型GaN肖特栅和绝缘栅功率开关器件的制备，源漏电流密度达550mA/mm，阈值电压3.5V（Appl. Phys. Express.）。同时确认了该技术方案对提高器件阈值电压的稳定性具有十分重要的作用。该技术创新的科学意义在于为业界提供一条实现高可靠性的常关型技术路线，提高器件阈值电压的稳定性、可控性和均匀性，达到国际先进水平。该技术路线2012年被国际半导体业界知名杂志Semiconductor Today转载报道