H钝化p-GaN增强型HEMT器件及可靠性研究

Normally-off GaN high electron mobility transistors (HEMTs) with p-GaN gate are commonly accepted as promising devices for future power switching applications, due to the stable threshold, the low on-resistance and the high breakdown field. Several companies, such as EPC and Panasonic, have put their normally-off p-GaN HEMT on the market, but the traditional p-GaN etching process has become the obstacle of further development, so the innovation of key technology has been the focus in this field. Under the circumstances, we proposed a novel technology of H plasma treatment technology, which can avoid the traditional etching process and is hopeful to reduce the surface roughness and uniformity. However, the working mechanism of the new device structure formed by H plasma treatment technology and the possible impact of hydrogen on the electrical characteristics of the devices under high temperature are unclear. This project will focus on the research of the physical mechanism of normally-off p-GaN gate AlGaN/GaN HEMT fabricated by H plasma treatment technology and the effect of H diffusion in the p-GaN under high temperature on device reliability.

p型栅增强型AlGaN/GaN HEMT，由于其稳定的阈值电压、低的导通电阻和高的击穿场强，在电力电子开关领域极具应用潜力。虽然目前很多国外的公司都推出了相应的p型栅增强型AlGaN/GaN HEMT产品（如EPC、Panasonic等），但是其中采用的p-GaN盖帽层刻蚀技术制约着其进一步的发展，如何革新关键技术成为该领域研究的热点。在此背景下，我们提出了一种新的器件制备技术——H等离子体处理p-GaN技术，该技术避免了传统的刻蚀技术所带来的表面刻蚀损伤和刻蚀均匀性等问题。但是，H等离子体处理p-GaN技术形成新器件的物理机理及H在高温下的扩散对器件可靠性的影响都尚未进行系统的研究。本项目将研究H等离子体处理技术制备增强型AlGaN/GaN HEMT器件的物理机理和高温下H在p-GaN材料中的扩散对器件可靠性的影响。

GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）由于其低成本、高频、高效、耐高温和小型化等特点在未来的功率开关系统中具有广泛的应用前景。在功率开关电路中出于安全和简化设计考虑，需要采用常关型器件。在常关型技术方案中，p-GaN栅HEMT由于其栅极可靠性赢得了产业界的青睐。然而在实际应用中还面临着许多挑战，如耐压、电流崩塌、可靠性等。本项目研究采用H等离子体钝化p-GaN技术的常关型GaN HEMT，由于表面具有高阻盖帽层（HRCL）结构，命名该器件为HRCL-HEMT。对其高温可靠性、帽层结构和栅极可靠性等进行了一系列的研究，同时研制了大功率器件和单芯片集成技术，具体的研究内容如下：.（1）优化H氢等离子体钝化技术和退火修复技术。通过对H处理功率和时间，退火温度和时间的控制，实现阈值电压+1.75V，最大饱和电流350mA/mm，关态漏电流1 nA/mm。.（2）HRCL-HEMT热稳定性和栅极可靠性研究。通过变温测试和高温热存储实验研究了HRCL-HEMT的热稳定性。研究表明HRCL-HEMT在200 °C下仍然可以保持很好的器件性能，并且在150 °C，1000 h的热应力下未发生明显退化。.（3）HRCL结构研究。通过模拟仿真和实验数据分析，得出HRCL层可以有效改善器件的栅漏电极之间的电场集中，从而有效提高器件的耐压特性，改进器件的电流崩塌特性。.（4）HRCL-HEMT栅漏电机理。通过变温栅漏电测试及理论分析研究了不同金属功函数器件的正反向栅漏电机理，并建立了漏电模型。.（5）大功率HRCL-HEMT研究。成功研制50 mm栅HRCL-HEMT器件。器件的阈值电压为2.3 V，阈值回滞为45 mV，饱和电流为13.7 A （@VGS = 6 V& VDS =10 V），开关比为~109，击穿电压为650 V。.（6）GaN数字集成电路研究。通过H等离子体技术实现了E/D-mode HEMT单片集成。制备的DCFL反相器展现了大的逻辑摆幅、大的噪声容限和极低的阈值回滞，并且通过变温测试证实了制备的DCFL反相器具有非常好的热稳定性。.综上所述，本项目对HRCL- HEMT器件进行了一系列的关键技术和可靠性研究，进一步研制了大功率GaN HEMT器件和DCFL反相器，为该新型器件的市场应用打下了坚实的基础。