高擊穿電壓InAlN/AlGaN MOS-HEMT材料生長與器件製備研究

《高擊穿電壓InAlN/AlGaN MOS-HEMT材料生長與器件製備研究》是依託西安電子科技大學，由薛軍帥擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高擊穿電壓InAlN/AlGaN MOS-HEMT材料生長與器件製備研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：薛軍帥
• 依託單位：西安電子科技大學

中文摘要

InAlN/GaN HEMT器件在工作頻率方面表現出明顯優勢，但其低的擊穿電壓仍不能滿足輸出功率需求。低的擊穿電壓主要由薄InAlN勢壘層表面缺陷引起的柵漏電和GaN緩衝層擊穿導致。針對該問題，本項目將開展新型InAlN/AlGaN MOS-HEMT研究，即採用具有更大禁頻寬度的AlGaN代替常規GaN溝道來提高緩衝層擊穿場強，和MOS結構來降低柵漏電，從而整體提高InAlN基HEMT擊穿電壓。首先，通過採用帶有AlGaN/AlN超晶格的漸變Al組分生長方法、表面反應增強型脈衝式MOCVD技術、AlN界面插入層實現高質量InAlN/AlGaN異質結材料的生長。其次，探索實現HEMT源漏區低歐姆接觸電阻的n+GaN MOCVD二次再生長技術，研究絕緣柵介質製備和對InAlN/AlGaN異質結輸運特性和HEMT器件柵漏電的影響，最終研製出高擊穿電壓InAlN/AlGaN MOS-HEMT器件。

結題摘要

針對InAlN勢壘層HEMT器件擊穿電壓低和高工作電壓功率開關器件套用需求，本項目提出了InAlN/AlGaN MOS-HEMT研究，採用AlGaN代替GaN溝道提高緩衝層擊穿場強，採用MOS結構代替肖特基降低柵漏電，從整體上提高InAlN基HEMT器件擊穿電壓。 本項目主要進行了高質量AlGaN溝道和InAlN勢壘層生長、InAlN/AlGaN異質結輸運特性提高、低歐姆接觸製備、絕緣柵介質製備研究，系統解決和突破了材料生長方法、異質結材料結構、器件結構和工藝等關鍵瓶頸難題。 提出並實現了一種PMOCVD的低缺陷材料生長方法，該方法基於納米尺度的材料橫向生長機制，通過設定不同的源脈衝間隔，增強了吸附原子的擴散長度，彌補了生長溫度巨大差異帶來的影響，解決了InAlN材料生長難題。採用AlGaN/AlN超晶格結構，過濾了AlGaN材料生長中產生的位錯缺陷，釋放了累計的應變。研究發現限制InAlN/AlGaN異質結2DEG遷移率的主要散射機制是合金無序散射，提出了AlN/GaN/AlN複合結構界面插入層來禁止合金無序散射。為有效保護InAlN勢壘層表面和實現低歐姆接觸電阻，提出了一種低溫氮氣和高溫氫氣相結合的GaN帽層生長方法，避免了高溫生長引起InAlN表面形貌惡化和異質結輸運特性下降。採用氧電漿處理InAlN表面和ALD澱積Al2O3相結合的方法，解決了耐高壓介質層與InAlN勢壘層界面問題，實現了具有出色表面和低界面態的絕緣柵介質製備。 基於上述創新，實現了不同組分InAlN/AlGaN異質結材料生長，Hall效應測試表明溝道Al組分5%的異質結室溫2DEG面密度和遷移率分別為1.88×1013和511 cm2/Vs。研製出柵長為0.5 µm、柵漏間距為2.6µm的InAlN/AlGaN HEMT器件，輸出電流為854 mA/mm，三端關態擊穿電壓為87V。製備的增強型InAlN/AlGaN MOS-HEMT擊穿電壓高達141V，閾值電壓為1.55V，輸出電流為254 mA/mm。 本項目研究表明，InAlN/AlGaN異質結把氮化物材料體系中晶格匹配的概念拓展到更高鋁組分，擁有應變異質結構高面密度2DEG的優勢。InAlN/AlGaN HEMT高的輸出電流和擊穿電壓特性，在解決高頻器件高電壓工作需求方面提供了途徑，在高結溫高壓功率開關器件套用方面非常有前景。