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氮化镓，作为最具代表性的宽禁带半导体，具有高临界电场、高电子迁移率，在高频大功率器件和应用方面优于硅基器件。目前的研究主流是基于二维电子气的n沟道氮化镓高电子迁移率晶体管，p沟道氮化镓场效应管尚处于研究初期，限制了氮化镓器件在互补型集成电路、高边开关等领域的发展。当前针对p沟道氮化镓场效应管的研究主要集中在p-GaN/AlN、p-GaN/AlGaN、p-GaN/AlInGaN等异质结构，并认为该界面处将形成二维空穴气。所研究的外延结构主要基于增强型n沟道氮化镓高电子迁移率晶体管。其外延结构相对复杂，甚至可能需要进行二次外延。铝镓氮背势垒的铝组分、厚度，p型氮化镓厚度，镁受主的拖尾效应等，均将显著影响器件性能，从而限制了生产可重复性，增加了制造成本。在本工作中，湖南大学与松山湖材料实验室合作团队提出直接在p氮化镓上通过凹槽栅的结构构筑p沟道氮化镓场效应管，避免了复杂的外延结构，也消除了寄生的二维电子气。该器件采用Ni(20nm)/Au(40nm)作为源和漏极，在氧气气氛中550℃退火10min。栅极区域通过电感耦合等离子体刻蚀形成约20nm厚的沟道，采用原子层沉积形成20nm氧化铝介质层。栅电极通过电子束蒸发Ti(20nm)/Al(500nm)/Ni(20nm) 构成。所制备的栅长50μm，栅宽100μm器件展示了显著的增强型p沟道场效应管特性。栅压从负往正所得转移特性曲线提取的阈值电压为-5.3V，亚阈值摆幅为186mV/dec。栅压从正往负所得转移特性曲线提取的阈值电压为-4.4V，亚阈值摆幅为136mV/dec。器件开关比为2.4Í105。输出特性曲线也具有明显的场效应管特性，然而受限于栅长等因素影响，最大输出电流偏低，开启电阻偏高。为了提高输出电流，设计了栅长为3μm，栅宽20μm的p沟道氮化镓场效应管器件，阈值电压为-1.8V，开关比2.6Í105，栅压-8V下最大输出电流提升到4.2μA/mm，证实了栅长缩短可以显著提升输出电流。本文首次直接在纯p型氮化镓上构筑了增强型p沟道氮化镓场效应管，证实了该方案的可行性。后续将通过进一步优化工艺条件提升输出电流。![]()
图1.纯p-GaN上p沟道场效应管示意图、转移和输出特性曲线以及与同类型工作对比
这一研究成果以“Demonstration of normally-off p-channel GaN transistor with high threshold voltage and low subthreshold swing based on single p-GaN”为题发表在Science China Information Sciences 2024年67卷第9期。本文第一作者为湖南大学半导体学院（集成电路学院）李阳锋助理教授，通讯作者为湖南三安半导体有限责任公司副总经理张洁博士、松山湖材料实验室丁国建高级工程师、湖南大学半导体学院（集成电路学院）杨蓉教授。此合作也包括松山湖材料实验室汪洋研究员、贾海强研究员，湖南大学半导体学院（集成电路学院）廖蕾教授。研究得到了国家自然科学基金委、湖南省自然科学基金、长沙市自然科学基金、湖南省教育厅项目、怀柔综合极端条件实验装置等项目的支持。![]()
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