AlGaN/GaN MIS-HEMT功率开关器件栅介质应力与界面态的耦合作用及机理研究

Metal-insulator-semiconductor (MIS) structure is highly preferred over Schottky-gate structure especially for enhancement-mode AlGaN/GaN high electron mobility transistors (HEMTs), owing to its ability to suppress gate leakage and enlarge gate swing. However, high density trap states at the interface could lead to threshold voltage instability, high dynamic on-resistance and surface leakage current. Additionally complicated coupling effects exist between interface states and gate dielectric induced stress due to strong piezoelectric polarization effect in AlGaN/GaN structure. We propose to study the coupling effects, aiming to reveal its mechanisms and develop approaches to manipulate threshold voltage and conductivity of two-dimensional electron gas (2DEG) channel. We attempt to uncover the underlying mechanisms by depositing the silicon nitride dielectric with various residual stresses, adjusting the thickness and Al composition of the AlGaN barrier to modulate piezoelectric effect, carrying out detailed electrical characterization at various temperatures and with light illumination, quantitatively and comparatively analyzing interface traps, interface charges and carriers in the 2DEG channel on both GaN and Si substrates. The results will provide fundamental foundation and guidance for the development of high performance enhancement-mode GaN-based high-power switching devices.

金属-绝缘体-半导体（MIS）结构可改善传统高电子迁移率晶体管（HEMT）栅极漏电大和正向栅耐压低的缺点，尤其适用于超薄势垒增强型GaN基功率开关器件。由于AlGaN/GaN的强压电极化效应，MIS-HEMT栅介质应力与界面态之间存在复杂的耦合作用，其界面态会引起阈值电压不稳定、动态导通电阻增大和界面漏电的问题。本项目将对AlGaN/GaN MIS-HEMT栅介质应力与界面态的耦合作用进行深入研究，通过改变沉积工艺参数来调控栅介质应力、调整势垒层的厚度和Al组份来改变异质结的压电极化效果，采用变温和光照辅助的电学测试对基于GaN和Si两种衬底的MIS-HEMT的界面陷阱和电荷以及沟道载流子等电学特性进行定量表征和比较分析，揭示栅介质应力与界面态耦合作用的内在机理，探寻利用该耦合作用调控器件沟道导电性和阈值电压的新方法，为发展高性能增强型GaN基功率开关器件提供理论基础和技术指导。

金属-绝缘体-半导体（MIS）结构可改善传统高电子迁移率晶体管（HEMT）栅极漏电大和正向栅耐压低的缺点，尤其适用于超薄势垒增强型GaN基功率开关器件。由于AlGaN/GaN的强压电极化效应，MIS-HEMT栅界面态会引起阈值电压不稳定、动态导通电阻增大和界面漏电的问题。针对上述问题，本项目首先研究了AlGaN/GaN HEMT器件的栅极漏电机制及抑制方法，开发出采用LPCVD技术沉积高质量SiNx栅介质的技术，研究了AlGaN/GaN MIE-HEMT栅极界面态和应力控制的理论和方法，进而获得了AlGaN/GaN MIS-HEMT器件栅介质应力、栅极界面态、沟道载流子输运特性以及电流崩塌效应等的相关信息和关联关系，建立了针对表征AlGaN/GaN MIS结构界面特性的优化电导法测试模型和适用于增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT的双介质层钝化理论，并用以指导材料器件设计，实现增强型器件并提升器件性能和可靠性，圆满完成了项目的既定研究目标。在此基础上，作为本项目的创新性拓展和延续，进一步开展了增强型GaN基垂直场效应晶体管（FET）器件与LED单片集成理论和方法的探索并取得一定进展，成功研制了全GaN的光电集成原型器件，实现了片上FET开关对LED发光强度的有效调控，这项研究工作在全GaN的光电集成新型应用领域具有重要意义，远远超出了本项目的原有预期。.通过本项目的实施，取得了一系列的代表性成果，如研制了具有超低漏电的AlGaN/GaN肖特基结、阐释了基于LPCVD SiNx栅介质的AlGaN/GaN MIS-HEMT器件的界面态分布及其作用机理、建立了考量器件“access region”阻抗参数的MIS-HEMT栅极界面态电导法表征模型、开发了有效抑制MIS-HEMT电流崩塌效应的双介质层钝化方法、实现了全世界首款集成增强型GaN基垂直FET器件的LED芯片等，为进一步发展高性能增强型GaN基功率开关器件和推动全GaN光电集成新技术的应用提供了理论基础和技术指导。在本项目的直接资助下，共发表相关的高水平SCI收录论文9篇，申请国家发明专利3项，超额完成了项目的既定指标。