南科大深港微电子学院在宽禁带半导体功率和传感器件领域取得重要进展

2022-04-08 科研聚焦 浏览量：21329

近日，南方科技大学深港微电子学院教授于洪宇课题组和助理教授李携曦课题组在宽禁带半导体功率和传感器件领域取得重要进展，特色研究成果包括免刻蚀常关型GaN凹栅MIS-HEMT器件、具有长期工作可靠性的p-GaN HEMT器件及新型栅极击穿测量方法、以及角度和压力传感器件。相关成果分别发表于国际微电子器件顶级期刊IEEE Electron Device Letters和IEEE Transactions on Electron Devices。

GaN作为新一代半导体材料，相较于传统硅、锗材料，在禁带宽度、击穿电场、饱和速度、热导率等方面具有明显的优势，在智能电网、电动汽车驱动、开关电源、5G通讯和雷达等高频高功率领域具有广阔的应用前景。基于高功率电源电路对常关型GaN器件的需求，于洪宇团队在IEEE Electron Device Letters上以“Normally-OFF AlGaN/GaN MIS-HEMTs with Low RON and Vth Hysteresis by Functioning In-situ SiNx in Regrowth Process”为题的论文中，开发了两种新型的选择性区域再生长技术，结合高质量原位SiNx钝化及原子层沉积工艺，制备了一系列高性能的免刻蚀常关型GaN凹栅MIS-HEMT器件。该工作有效抑制了二次外延和原位SiNx工艺制备常关型GaN HEMT的技术缺陷，实现了超低的导通电阻及阈值电压迟滞，为开发低损伤常关型GaN功率器件提供了翔实的理论指导和技术支持。

图1：GaN凹栅MIS-HEMT器件结构及电学表征结果

南科大深港微电子学院博士研究生何佳琦为论文第一作者，本工作得到了广东省科学技术厅和深圳科技创新委员会的项目支持。

目前高功率电源电路中的开关管通常采用p-GaN型栅常关型HEMT器件，但这种已经实现商业化生产的器件结构仍存在一定问题：由于结构上与高k栅介质不兼容，其栅极击穿电压通常较低；在较高的栅极驱动电压条件下，其长期工作可靠性不足，器件容易损坏。栅极击穿电压及其可靠性作为功率开关器件的核心性能，在工业生产及实际应用中具有重要研究价值。 于洪宇教授团队以“p-GaN Gate HEMTs With 10.6 V Maximum Gate Drive Voltages by Mg Doping Engineering”为题发表在IEEE Transactions on Electron Devices，通过调控p-GaN在外延生长过程中的参数，有效降低了栅金属/p-GaN肖特基结的尖峰电场，制备出在10.6 V栅极驱动电压下具有10年工作可靠性的常关型HEMT器件。基于对p-GaN HEMT器件栅极击穿特性的研究，以“Determination of the Gate Breakdown Mechanisms in p-GaN Gate HEMTs by Multiple-Gate-Sweep Measurements” 为题发表在IEEE Transactions on Electron Devices，提出了一种新型的栅极击穿测量方式，能够将p-GaN器件的肖特基势垒击穿、PN结击穿及钝化层击穿特性独立表征，为研究p-GaN器件可靠性提供了一条新的思路。

图2：p-GaN HEMT器件结构及长期可靠性表征结果

图3：p-GaN HEMT器件不同击穿机制表征结果

南科大深港微电子学院博士研究生周广楠为两篇论文的第一作者，本工作得到了广东省科学技术厅和深圳科技创新委员会的项目支持。

李携曦课题组研究提出将具有发光和光探测能力的微型氮化镓器件与装有乙醇的容器集成。乙醇在旋转过程中调节内反射光量，片上探测器产生光电流信号，以显示相应的角度变化。器件尺寸为5mm×5mm×4mm，从四个片上探测器测得的光电流可用于辨别0–360°的全角度范围，并展示出0.33 s的响应时间。

图4：(a)封装后的器件图；(b)光电流随旋转角变化的曲线。 

相关成果以“III-Nitride Microsensors for 360°Angle Detection”为题发表于IEEE Electron Device Letters上，并被选为当期Editors' Pick。论文第一作者为南科大深港微电子学院2021级博士生尹嘉豪。

李携曦课题组提出在氮化镓单片上集成光源和光检测器，并与具有微结构的PDMS薄膜集成，实现微型压力传感器。施加外界压力时，带有微圆顶阵列结构的PDMS薄膜与氮化镓芯片的接触面积增加，从而改变光传播路径和光电流值。传感器件尺寸为2mm×2mm×0.4mm，响应时间小于5 ms，与文献报道相比具有较高的灵敏度，并通过18,000次循环试验验证了其稳定性。此外，其在可穿戴应用中的实时监控能力已得到实验证明。

图5：固定在人体腹部的器件(a)前视图和(b)侧视图；(c)在不同的身体运动下测量的光电流变化。

相关成果以“A Chip-Scale GaN-Based Optical Pressure Sensor With Microdome-Patterned Polydimethylsiloxane (PDMS)”为题发表在IEEE Electron Device Letters上。论文共同第一作者为南科大深港微电子学院2021级联培博士生安小帅和2018级本科生罗雨萌。

以上五篇文章，南科大均是论文第一单位。

论文链接：

1、https://ieeexplore.ieee.org/document/9706449 

2、https://ieeexplore.ieee.org/document/9737317 

3、https://ieeexplore.ieee.org/document/9354065 

4、https://ieeexplore.ieee.org/document/9698208 

5、https://ieeexplore.ieee.org/document/9509502