氮化镓（GaN）具有大的禁带宽度、高击穿场强和高电子饱和漂移速率等优良材料特性，而基于AlGaN/GaN异质结制备的器件更是满足现代电力电子系统对高功率密度、高频、高效性能的持续需求，在手机快充、新能源汽车、数据中心和智能电网等高频高效高功率领域表现出巨大的应用前景。近日，中科院苏州纳米所加工平台在GaN横向功率器件研究中取得系列进展，研究成果分别发表在国际微电子器件权威期刊IEEE Transactions on Electron Devices和IEEE Electron Device Letters上。 

　　增强型p-GaN条形阵列栅GaN HEMT器件 

　　为了制备出高击穿电压&低导通电阻的增强型GaN HEMT器件，团队在前期工作基础上（IEEE Electron Device Lett., 2022, 43(5): 693-696; IEEE Sens. J., 2021, 21(20): 22459-22463; IEEE Trans. Electron Devices, 2021, 68(10): 5041-5047; Appl. Phys. Lett., 2018, 113(15): 152104; IEEE Trans. Electron Devices, 2018, 65(4): 1314-1320; IEEE Electron Device Lett., 2017, 38(11): 1567-1570; Appl. Phys. Lett., 2016, 109(15): 152106），使用具有自主知识产权的“氢等离子处理”技术并设计制备了一种p-GaN条形阵列的栅极结构（PSAG），利用该结构对AlGaN/GaN沟道处的二维电子气（2DEG）浓度分布进行调控，制备了高性能免刻蚀增强型GaN HEMT器件。 

　　研究中的仿真结果显示，通过调整p-GaN条形阵列的内部尺寸，一方面可以实现阈值电压从？0.14 V到+1.03V的调控，另一方面可以实现表面电场的优化分布。制备获得的PSAG-HEMT表现出比传统p-GaN栅器件（+1.36 V/3.72 mΩ·cm²/1.18 kV）略低的+0.8 V的阈值电压，更低的导通电阻2.73 mΩ·cm²和更高的击穿电压1.45 kV。研究揭示了PSAG-HEMT栅极下方特殊能带分布导致的增强电导调制效应是导通电阻降低的主要原因。相关工作以Improvement of Breakdown Voltage and on-Resistance in Normally-off AlGaN/GaN HEMTs Using Etching-Free p-GaN Stripe Array Gate为题发表在IEEE Trans. Electron Devices [1]，论文的第一作者是中科院苏州纳米所博士生魏星，通讯作者为张宝顺研究员、蔡勇研究员。 

　　图1. A, p-GaN条形阵列栅混合阳极二极管结构示意图及正向特性仿真结果；B, 关态下，表面电场分布仿真结果; C, 器件正向/反向电学特性；D, 增强电导调制效应 

　　高耐压免刻蚀p-GaN栅混合阳极二极管 

　　混合阳极二极管（HAD）是另一种典型的GaN横向器件结构，因制备工艺与HEMT器件兼容，在单片集成领域有着广泛的应用前景。在p-GaN/AlGaN/GaN材料平台上制备HAD器件已有一些报道，但在反向漏电流和电流崩塌等方面还存在挑战。团队使用低损伤免刻蚀的“氢等离子处理”技术制备出可以在300℃下稳定工作的HPT-HAD器件，器件的关态漏电流低至10 pA/mm，理想因子低至1.04，电流崩塌特性改善明显。器件在20 μm的阴阳极间距下，实现了2.01 kV的高击穿电压，2.09 mΩ·cm²的低导通电阻，计算获得的Baliga优值达到了1.93 GW/cm²。相关工作以2.0 kV/2.1 mΩ·cm² Lateral p-GaN/AlGaN/GaN Hybrid Anode Diodes With Hydrogen Plasma Treatment为题发表在IEEE Electron Device Lett. [2]，论文的第一作者是中科院苏州纳米所博士生魏星，通讯作者为张晓东项目研究员。 

　　　　　　图2. A, HPT-HAD结构示意图；B, HPT-HAD器件变温I-V特性; C, 器件电流崩塌；D, 器件耐压特性、击穿电压-导通电阻，以及关态漏电流-理想因子的性能比较 

　　低开启电压高功率品质因数p-GaN条形阵列栅混合阳极二极管 

　　虽然免刻蚀p-GaN栅混合阳极二极管表现出优异的特性，但是受到p-GaN对沟道电子的强耗尽作用，其开启电压较高，同时其存在GaN横向器件不可避免的表面电场集中现象。结合p-GaN条形阵列栅对沟道电子和表面电场的调控作用，团队进一步设计并制备出了p-GaN条形阵列栅混合阳极二极管（PSAG-HAD），实现了0.8 V的低开启电压，2.69 kV的高击穿电压和2.11mΩ·cm²的低导通电阻，计算获得的器件Baliga优值达到了3.43 GW/cm²。通过改善后的“氢等离子处理”技术，器件在-1kV的高压下也仅表现出1.87 nA/mm的关态漏电流，开关比达到了10¹¹。相关工作以2.69 kV/2.11 mΩ·cm² and Low Leakage p-GaN Stripe Array Gated Hybrid Anode Diodes with Low Turn-on Voltage为题发表在IEEE Electron Device Lett. [3]。论文共同第一作者是中科院苏州纳米所博士生魏星、纳米加工平台沈文超，通讯作者为张晓东项目研究员。 

　　图3. A, p-GaN条形阵列栅混合阳极二极管结构示意图；B, (a) 击穿电压-导通电阻的性能比较; (b) 阈值电压-反向漏电流的性能比较；C, 器件正向/反向电学特性；D, 电场分布仿真结果 

　　上述相关工作得到了中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米加工平台、纳米真空互联实验站（Nano-X），以及纳米器件部与中国科学院纳米器件与应用重点实验室的支持。 

　　论文链接： 

　　[1] 论文1 

　　[2] 论文2

　　[3] 论文3