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GaN材料由于其宽带隙、高电子迁移率和高临界电场等优势已成为实现高功率和高频器件的理想材料。基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）结构的GaN横向二极管可用于单片集成功率应用中。目前已提出多种GaN横向二极管结构以降低反向泄漏电流（ILEAK）并实现较低的正向导通压降（VF）。常规GaN横向肖特基势垒二极管（SBD）具有较低的制备工艺成本。然而，由于阳极肖特基（Schottky）接触在反向耐压时直接承受高反向电场，常规GaN横向SBD会呈现出较高的ILEAK。此外，由于二维电子气（2DEG）和阳极Schottky接触之间存在高电阻率的AlGaN势垒层，常规GaN横向SBD的VF也相对较高。较高的ILEAK和VF会使得器件功耗显著增加。基于AlGaN/GaN HEMT的横向场效应二极管（LFED）的提出可以有效降低器件的VF。在GaN LFED中，阳极通过短接常关型GaN晶体管的欧姆源极和栅极组成，同时阴极为常关型GaN晶体管的欧姆漏极。然而，由于二极管器件的VF和ILEAK之间存在矛盾关系，较低VF GaN LFED的ILEAK仍相对较高。为了优化VF和ILEAK之间的折衷关系，提出了凹槽阳极、阳极场板和新型AlGaN/GaN HEMT外延结构等多种GaN横向二极管技术，以抑制ILEAK并同时保持低的VF。在本工作中，松山湖材料实验室与南方科技大学、电子科技大学、CSIRO合作团队提出并制备了一种基于AlGaN/GaN HEMT的Schottky-MIS级联阳极LFED器件（CA-LFED），实现了极低的ILEAK。Schottky-MIS级联阳极结构主要包括金属Ni和GaN沟道层组成的横向Schottky接触，以及金属Ni、氧化铪（HfO2）和AlGaN势垒层组成的MIS控制沟道。在施加反向电压时，Ni/HfO2/AlGaN结构的常关型MIS控制沟道可以完全耗尽其下方的2DEG，进而保护Ni/GaN横向Schottky接触不会受到较高反向电场的影响，以实现极低的ILEAK。此外，由于Ni/HfO2/AlGaN结构常关型MIS控制沟道的阈值电压相对较低，因此在施加较低的正向电压时，器件沟道中的2DEG可以快速恢复，从而在实现极低ILEAK的同时获得较低的VF。CA-LFED器件的制备工艺主要包括：①电感耦合等离子体（ICP）刻蚀原位SiN钝化层和AlGaN/GaN异质结形成隔离台面；②ICP刻蚀阴极区域原位SiN钝化层后采用电子束蒸发蒸镀Ti/Al/Ni/Au金属叠层，后高温快速退火形成阴极欧姆接触；③通过ICP刻蚀阳极区域原位SiN钝化层和部分AlGaN势垒层形成阳极MIS控制沟道凹槽，此处剩余AlGaN势垒层的厚度约为3nm；④通过原子层沉积（ALD）生长较薄HfO2绝缘介质层；⑤通过ICP刻蚀阳极区域HfO2绝缘介质层、剩余AlGaN势垒层和GaN沟道形成阳极横向Schottky接触凹槽，同时去除阴极处的HfO2绝缘介质层；⑥电子束蒸发蒸镀Ni/Au金属叠层形成阳极金属以及测试电极。![]()
图1 CA-LFED的器件结构示意图及ICP刻蚀阳极区域后的原子力显微镜（AFM）刻蚀深度测试结果
松山湖材料实验室微加工与器件平台（http://pt.sslab.org.cn/UI/）完成器件全流程制备工艺，特别开发了速率低至1.2nm/min的ICP刻蚀AlGaN势垒层工艺，可较为精确地控制阳极刻蚀中AlGaN势垒层的刻蚀深度，同时保证了较高的刻蚀深度一致性。测试结果表明，对于阳极至阴极间距（LAC）为4.5μm的CA-LFED，其具备了3.6×10-9A/mm的极低ILEAK，同时也获得了2.2V的较低VF。相比于已报道的工作，所提出并制备的CA-LFED实现了更优的VF-ILEAK折衷关系。图2 CA-LFED的反向阻断和正向导通I-V特性曲线及与已报道工作的VF-ILEAK折衷关系对比这一研究成果以“Achieving ultralow leakage current in Schottky-MIS cascode anode lateral field-effect diode based on AlGaN/GaN HEMT”为题发表在Science China Information Sciences 2025年第68卷第1期。本文第一作者为松山湖材料实验室工程师王方洲博士，通讯作者为松山湖材料实验室丁国建研究员级高级工程师、汪洋研究员级高级工程师，电子科技大学集成电路科学与工程学院（示范性微电子学院）陈万军教授，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）王泽恒研究员。此合作也包括松山湖材料实验室贾海强研究员、陈弘研究员，电子科技大学集成电路科学与工程学院（示范性微电子学院）张波教授。研究得到了国家自然科学基金重点项目的支持。相关阅读
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