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南科大深港微电子学院于洪宇团队在AlGaN/GaN HEMT器件研究方面取得系列进展

2020-03-01科研聚焦

近日,南科大深港微电子学院院长于洪宇教授团队在AlGaN/GaN HEMT器件研究中取得系列进展,相关成果分别在国际微电子器件权威期刊IEEE Electron Device Letters、IEEE Transactions on Electron Devices以及IOP Semiconductor Science and Technology 线上发表。

封面图1.jpgAlGaN/GaN合金欧姆接触新途径

团队发表在IEEE Electron Device Letters上的论文题目为“利用钛铝合金金属作为无金欧姆接触电极以实现在无沟槽刻蚀铝镓氮/氮化镓上的超低欧姆接触值<0.1欧姆·毫米(Au-free TiAI Alloy Contacts on Non-Recessed i-AIGaN/GaN Structure with Ultra-Low Contact Resistivity)”。该文章被期刊编辑评价为“对于该领域有重大贡献”,并被遴选为当期封面文章。

AlGaN/GaN HEMT器件具有较高的电子迁移率二维电子气2DEG,在射频以及功率器件中有极大的应用前景。由于降低金属半导体的欧姆接触电阻对降低器件源漏电极寄生电阻起到关键作用,直接影响到器件的源漏输出电流、导通电阻、击穿电压等性能参数,高质量的低欧姆接触在AlGaN/GaN射频器件的开发中尤为重要。

于洪宇课题组访问学生范梦雅介绍,传统的Ti/Al多层膜常被应用到无金欧姆接触工艺中,但目前常见的源漏极刻蚀或离子植入等降低欧姆接触电阻大小的工艺皆有复杂、难以控制的缺点。课题组创新性地提出使用TixAly合金金属层作为欧姆接触金属材料,可以实现在无刻蚀凹槽工艺条件下的低欧姆基础(小于0.1Ω∙mm),能够满足射频、功率器件等的欧姆接触要求。

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AlGaN/GaN-TixAly合金欧姆接触的电学特性

课题组经过CTLM电学测试发现,TiAl合金的欧姆接触在退火后可达到0.063Ω∙mm的接触电阻值。TEM-EDX元素分析表征进一步验证了Ti对N的萃取作用以及不同Ti/Al原子比对最终欧姆特性的影响体现。

范梦雅介绍,不同于传统双层Ti/Al电极,本工作提出新颖的Ti/Al合金溅射靶材制备欧姆接触电极,无须额外工艺步骤。目前该项技术已申请专利,若应用于射频功率放大器器件,可望提高器件增益与截止频率。本工作为AlGaN/GaN合金欧姆接触开辟了一条新途径。

范梦雅为论文第一作者,于洪宇为论文通讯作者,南科大为论文第一通讯单位。

利用石墨烯解决栅极可靠性问题

团队发表在IEEE Transactions on Electron Devices上的论文题目为“利用石墨烯作为栅极以减小p-GaN栅高电子迁移率晶体管的栅极漏电并增加击穿电压(Gate Leakage Suppression and Breakdown Voltage Enhancement in p-GaN HEMTs using Metal/Graphene Gates)”。

对于HEMT功率器件来说,p-GaN栅极HEMT器件结构是目前被认为最有希望作为商业化应用的方案。不过,仍然有一些问题亟待解决,如增加阈值电压、降低栅极漏电流、提高栅极击穿电压等。于洪宇课题组2017级南科大-英属哥伦比亚大学联培博士生周广楠介绍,闸极漏电与闸极工作电压对应用于电源开关的氮化镓HEMT器件尤为重要,能够影响电源系统功率损耗与输出功率。解决此项问题对于p-GaN栅极HEMT器件的商业化应用有重要的意义。

石墨烯具有许多传统半导体所没有的优越性能。石墨烯与GaN的结合使用有望在功率器件、射频器件和探测器件等方面产生革新性和突破性的成果。目前,国际上对于石墨烯与GaN的结合使用研究仍处在初步阶段。课题组提出将石墨烯应用到p-GaN栅极HEMT器件中,在p-GaN栅极上插入石墨烯作为栅极金属材料,可以有效降低栅极漏电电流,增加栅极击穿电压,解决目前栅极可靠性的问题。目前该项技术已申请专利。

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加入石墨烯和未加石墨烯的p-GaN栅极HEMT器件的电学特性的对比

电学测试表明,在p-GaN栅极HEMT器件中加入石墨烯可以使关态栅极漏电降至原先的约50分之一,增加阈值电压0.3V,增加源漏ION/IOFF一个数量级,提高源漏饱和电流约20%。通过进一步对不同样品的TEM表征、EDX元素分析,课题组发现石墨烯可以有效减小金属/p-GaN之间的扩散或反应,避免TiN或空位的形成,维持界面处稳定和均匀性。通过变温测量的方法,课题组提取出栅极金属/p-GaN之间的肖特基势垒,发现加入石墨烯可以降低栅极漏电、增加栅极击穿电压。

周广楠介绍,石墨烯在半导体领域有接口修饰效果,该工作创新使用石墨烯当作栅极金属与P型氮化镓栅极的中间层,有效防止金属与半导体的接面反应因此减少缺陷,有效抑制栅极漏电并提高最高闸极工作电压,并实现高栅极工作电压,对p-GaN栅极HEMT器件相关研究有着重要的意义。

周广楠为该论文第一作者,于洪宇为论文通讯作者,南科大为论文第一通讯单位。

创新工艺有望实现常关型射频器件

团队发表在IOP Semiconductor Science and Technology上的论文题目为“利用双层应力层增进氮化铝镓/氮化镓高电子迁移率器件的开启电压与降低器件漏电流(Increasing Threshold Voltage and Reducing Leakage of AIGaN/GaN HEMTs Using Dual-Layer SiNx Stressors)”。

于洪宇课题组2017级南科大-港科大联培博士生郑韦志介绍,AlGaN/GaN HMET射频器件有一原生的电子信道,为一常开器件,不利于射频功率放大器电路设计与安全性。如果器件能够实现常关特性,则射频功率放大器电路可因此简化。然而,目前常见实现器件常关特性工艺需要对半导体层进行刻蚀,而刻蚀工艺会对器件引入缺陷,降低器件特性,因此市面上的常关型AlGaN/GaN HMET射频器件非常少见。

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具双层强应力SiNx钝化层器件的增益与高频特性

当施加应力于压电材料GaN上时,材料内会同时产生一个内建电场。该压电特性提供了调制HEMT开启电压的可能性。利用这项压电特性,课题组使用具有高应力的氮化硅膜层对器件闸极区域施加压应力,成功将器件开启电压提高1 V。因为制备高应力氮化硅膜层的操作会对半导体层造成离子轰击,课题组创新采用双层氮化硅钝化膜层保护半导体表面,结果显示提升器件开启电压的同时,没有器件直流与射频增益、截止频率或开启电流等其他器件特性降低。这项技术能够在没有可见的器件损害下提升开启电压。

此外,课题组也发现,器件闸极在施加压应力可抑制反向偏压电流,根据TCAD仿真发现应力所转换的AlGaN内部电场抵销原来器件因极化造成的AlGaN内建电场,抑制了器件闸极在反向偏压下的电子穿隧,因此抑制漏电流。郑韦志介绍,相关研究与优化正在进行中,未来可望借助该工艺实现常关型射频器件。

郑韦志为论文第一作者,于洪宇为论文通讯作者,南科大为论文第一通讯单位。

 

论文链接:

(一)https://ieeexplore.ieee.org/document/8897034

(二)https://ieeexplore.ieee.xilesou.top/abstract/document/8995788

(三)https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6641/ab73ea





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