GaN基功率器件基础问题研究

The research of this project aims to the key problems about GaN-based high breakdown and new E-mode devices, including the physical mechanisms of gate and buffer leakage current caused by defects in GaN layers, the control of carrier distribution and transport and so on. Finally, Low defect density, high electron mobility and high electron confinement GaN-based electronic materials will be achieved. High quality MIS-HEMT with low density interface states will be realized, by choosing proper gate dielectric materials and structures, combining gate dielectric growth process and defect characterization techniques. By analyzing the factors that affect the breakdown of GaN based power devices, the corresponding breakdown model can be obtained. By studying the floating field-plate structure in-depth, a novel GaN based device structure with high breakdown voltage will be gained. By exploring the mechanism of p-type gate E-HEMT, studying the effects of material design and device design, and considering device fabrication and process optimization, novel GaN based E-HEMTs with high threshold-voltage will be achieved. Last, the main reliability issues of GaN based power devices will be researched and the corresponding improvement techniques will be proposed and verified. By the study of this project, tons of theory and technology achievements will be obtained, which contribute greatly to the development of GaN based power devices in China.

本项目针对GaN基高压器件和新型增强型器件，开展GaN材料缺陷引起功率器件栅漏电和缓冲层漏电的物理机理、异质结构材料载流子分布和输运的控制等基础问题研究，实现低缺陷密度、高电子迁移率、高电子限域GaN基异质结构材料；设计合适的绝缘栅介质材料和绝缘栅结构，将先进的绝缘栅介质生长技术和缺陷表征方法相结合，实现低界面态密度的MIS-HEMT结构。深入分析影响GaN基功率器件击穿的各种因素，获得相应的击穿模型,重点研究浮空复合场板器件结构，获得具有高击穿电压的GaN基功率器件结构。探索p型栅势垒调制实现增强型器件的机理，研究材料设计、器件结构设计，通过器件制备和工艺优化等手段，获得高阈值电压的GaN基增强型HEMT器件。最后，研究GaN基功率器件存在的主要可靠性问题并提出改善方案。通过本课题的研究，为我国GaN基功率器件的发展提供理论指导和技术支撑。

采用热激电流、持续光电导等方法表征并获得了GaN材料中的缺陷能级信息，得到了缺陷与栅极漏电以及缓冲层漏电之间的关系。研究结果表明在低反偏压情况下，陷阱辅助的PF发射机制是主要的栅极漏电机制。在缓冲层进行能带设计和裁剪，提高沟道底部的能带，增强电子限域特性，减小了缓冲层漏电。开展了基于高k栅介质的GaN基HEMT器件研究。基于变温技术研究了MIS-HEMT器件的体泄漏电流。提出了基于温度、电压、频率的多变量电导表征技术，解决了氮化镓基MIS-HEMT器件界面态精确表征的难题。采用Al2O3/AlN叠层栅介质结构，使得绝缘栅HEMT器件界面电荷减小近2个数量级。实现了X波段下，功率密度15.1W/mm，功率附加效率66%的器件。研究了高压氮化镓器件结构，采用具有AlGaN背势垒缓冲层结构的外延材料，研制出击穿电压为1960V，特征通态电阻为4.27mΩ•cm2的GaN基器件。开展了增强型AlGaN/GaN HEMT器件研究。基于高Al组分势垒层，结合凹槽绝缘栅结构，实现了阈值电压为1.3V，电流密度为1064mA/mm，跨导峰值为301mS/mm的高性能增强型HEMT器件。同时，针对典型应用场景，分别制备了纳米沟道高跨导增强型器件、高频率增强型器件、新型类存储增强型器件、以及高压p-GaN增强型器件，部分性能指标达到国际领先水平。开展了高性能氧化镓器件研究。制备了水平结构的β-Ga2O肖特基二极管，结合场板结构设计，实现了最大击穿电场达1.6MV/cm。研制了耗尽型氧化镓MOSFET，器件输出饱和电流达到225mA/mm，器件导通电阻约为8mΩ•cm2，器件电流开关比大于1E9，当反向偏置电压达到800V时，泄漏电流仅为10μA/mm。深入研究了GaN基HEMT器件可靠性。研究了引起表面漏电的主要缺陷的能级信息。研究了典型HEMT器件的逆压电效应，获得逆压电效应相关缺陷的物理信息。采用低温缺陷表征，研究并确定了近导带浅能级界面态具有极小的俘获截面。国际上第一次通过高分辨透射电镜结合第一性原理证实近导带界面态主要来源于镓悬挂键与邻近原子的强相互作用。提出了一种新的Al/SiN新型钝化技术，可以实现器件泄漏电流降低2个数量级以上，并很好地抑制电流崩塌效应。